Microbiologia

MICROBIOLOGIA

Microbiologia – Struttura della cellula batterica e rapporti tra microrganismi e ospite

Durante la lezione di microbiologia abbiamo parlato della struttura della cellula batterica, dei

suoi componenti e delle funzioni, e abbiamo fatto alcuni esempi di malattie causate da

microrganismi.

Un esempio è la tonsillite, che è un’infezione che colpisce le tonsille nella cavità orale. Un

altro esempio è l’impetigine, che è un’infezione della pelle che compare spesso sul viso.

Queste due malattie sono diverse tra loro, ma possono avere la stessa causa, cioè il batterio

Streptococcus pyogenes, comunemente chiamato streptococco. Questo batterio è un

microrganismo patogeno.

Un altro esempio molto conosciuto di microrganismo batterico è Escherichia coli. In questo

caso:

-Escherichia indica il genere

-coli indica la specie

Esistono poi molti altri microrganismi responsabili di malattie importanti. Per esempio:

-Lepra, causata dal batterio Mycobacterium leprae

-Peste bubbonica, causata da Yersinia pestis

-Colera, il cui agente patogeno è Vibrio cholerae

-Gonorrea, causata da Neisseria gonorrhoeae

-Tubercolosi, causata da Mycobacterium tuberculosis

Esistono poi altre infezioni batteriche come:

-carie dentali

-foruncoli

-meningite

-infezioni nosocomiali, cioè infezioni contratte in ambiente ospedaliero

Rapporti tra microrganismi e ospite

I microrganismi possono instaurare diversi tipi di rapporti con l’organismo ospite.

-Parassitismo:

Si parla di parassitismo quando: il microrganismo trae vantaggio e l’ospite subisce un danno

Se il danno raggiunge una certa intensità si sviluppa la malattia. In questo caso il

microrganismo è definito patogeno, perché è in grado di causare malattia e alterare la

struttura e la funzione dei tessuti dell’ospite. La presenza della malattia si riconosce anche

attraverso una determinata sintomatologia.

-Mutualismo

Nel mutualismo sia il microrganismo sia l’ospite traggono beneficio dalla relazione.

-Commensalismo

qui il microrganismo trae vantaggio e l’ospite non subisce né vantaggi né svantaggi

Difese dell’organismo contro i microrganismi

Il nostro organismo ha lo scopo di mantenere i tessuti liberi da microrganismi patogeni. Per

farlo possiede diversi sistemi di difesa.

Le difese si dividono in difese innate e difese specifiche (o adattative):

1) Difese innate

Le difese innate costituiscono una immunità aspecifica, presente fin dalla nascita. Gli

effettori preesistenti includono: barriere fisiche, barriere chimiche, cellule immunitarie

Questi sistemi riconoscono e reagiscono contro tutto ciò che viene identificato come

estraneo.

Le difese innate possono essere:

-Difese di superficie

Sono barriere che impediscono l’ingresso dei microrganismi, come la cute e le mucose

Queste strutture rappresentano una barriera fisica contro la penetrazione dei microrganismi.

-Difese interne

Entrano in azione dopo che i microrganismi sono penetrati nell’organismo.

Tra queste troviamo i flussi dilavanti, come: saliva, urina, peristalsi intestinale; i fattori

chimici, come: acidità gastrica (pH acido); Fattori solubili, come: lisozima, sistema del

complemento; fattori cellulari, come i fagociti

I fagociti sono cellule del sistema immunitario che inglobano e distruggono microrganismi o

particelle estranee attraverso un processo chiamato fagocitosi.

Le difese innate agiscono rapidamente, spesso in modo immediato.

2) Difese specifiche (immunità adattativa)

Le difese specifiche costituiscono l’immunità adattativa. Si sviluppano dopo il contatto con

uno specifico microrganismo.

Sono costituite da:

cellule immunitarie specializzate (come linfociti)

proteine solubili, come gli anticorpi

Questa risposta è specifica per ogni patogeno e possiede anche una memoria immunologica.

Tipi di ospite

Dal punto di vista della risposta immunitaria possiamo distinguere due tipi di ospite.

1) Ospite normale

È un individuo con difese immunitarie funzionanti. Può essere colpito da patogeni classici,

cioè microrganismi che causano malattia anche in individui sani.

2)Ospite compromesso

È un individuo con difese immunitarie indebolite, per esempio a causa di: malattie, fattori

genetici, terapie, ferite o condizioni temporanee

In questi casi alcuni microrganismi, chiamati opportunisti, possono causare malattie. Questi

microrganismi sono detti patogeni opportunisti, perché provocano malattia soprattutto negli

ospiti immunocompromessi.

cellula batterica

La microbiologia è la disciplina che studia i microrganismi, cioè organismi molto piccoli

visibili solo con il microscopio. Tra questi troviamo virus, batteri, funghi microscopici, protozoi

e alghe microscopiche.

I batteri sono organismi unicellulari appartenenti al gruppo dei procarioti.

Scala delle grandezze dei microrganismi

I microrganismi si collocano in una scala di dimensioni molto piccole. Dalla dimensione più

piccola alla più grande troviamo: virus, batteri, cellule eucariotiche, protozoi

Le dimensioni dei virus sono dell’ordine dei nanometri, mentre i batteri hanno dimensioni

generalmente comprese tra circa 0,5 e 5 micrometri. Nella scala delle grandezze biologiche si

utilizzano unità molto piccole come: nanometro (nm), micrometro (µm), picometro (pm)

Forma e dimensione dei batteri

I batteri hanno dimensioni molto piccole e una forma generalmente regolare grazie alla

presenza della parete cellulare rigida che mantiene stabile la struttura della cellula.

Esistono però eccezioni come i micoplasmi, batteri privi di parete cellulare che possono

avere forme più variabili.

Le principali forme batteriche sono:

-cocchi (forma sferica)

-bacilli (forma allungata a bastoncino)

-vibrioni (forma curva simile a una virgola)

-spirilli o spirochete (forma spiraliforme)

Osservazione dei batteri

Per osservare i batteri è necessario utilizzare il microscopio ottico, poiché le loro dimensioni

sono troppo piccole per essere viste a occhio nudo.

Esempi di forme batteriche

-Streptococchi: hanno forma sferica, le cellule sono disposte in catene lineari, ricordano una

sequenza di piccole sfere una dopo l’altra

-Stafilococchi: hanno forma sferica, sono disposti in ammassi o grappoli, ricordano la forma

di un grappolo d’uva

-Escherichia coli: ha forma di bacillo, è allungato e cilindrico, può trovarsi singolo o disposto

in brevi catene

-Vibrioni: hanno forma curva simile alla lettera C o a una virgola

Differenze tra cellula procariota ed eucariota

-Membrana nucleare:

procarioti → assente

eucarioti → presente

-Materiale genetico:

procarioti → un singolo cromosoma circolare

eucarioti → più cromosomi lineari

-Introni:

procarioti → generalmente assenti

eucarioti → presenti

-Citoscheletro:

procarioti → assente o molto rudimentale

eucarioti → presente

-Organuli citoplasmatici:

procarioti → assenti

eucarioti → presenti (mitocondri, reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi ecc.)

Ribosomi:

procarioti → presenti (ribosomi 70S)

eucarioti → presenti (ribosomi 80S nel citoplasma)

Struttura della cellula batterica

La cellula batterica possiede strutture fondamentali e strutture accessorie.

1) Strutture fondamentali:

-cromosoma batterico

-citoplasma

-membrana plasmatica

-parete cellulare

2) Strutture accessorie:

-capsula

-appendici (flagelli e pili)

Cromosoma batterico

Il cromosoma batterico rappresenta il corredo genetico essenziale della cellula. È costituito

da DNA bicatenario (a doppia elica) disposto in forma circolare.

Caratteristiche principali: generalmente unico, aploide, immerso nel citoplasma

Il DNA batterico tende a concentrarsi in una zona del citoplasma chiamata nucleoide.

Il nucleoide: non è delimitato da membrana, contiene il cromosoma batterico

Le dimensioni del genoma possono variare tra le diverse specie batteriche. Genomi più grandi

sono spesso associati a maggiore capacità di adattamento e a maggiore complessità

metabolica.

Organizzazione del cromosoma

Il cromosoma batterico deve essere organizzato e compattato per entrare all’interno della

cellula. Per questo intervengono enzimi specifici.

Un enzima fondamentale è: DNA topoisomerasi di tipo II (detta DNA girasi). La girasi ha il

compito di: controllare il superavvolgimento del DNA, permettere la despiralizzazione

durante replicazione e trascrizione

Citoplasma

Il citoplasma della cellula batterica è costituito principalmente da acqua, circa il 70%.

Contiene numerose sostanze disciolte: sali minerali, zuccheri, amminoacidi, vitamine,

nucleotidi, coenzimi

Nel citoplasma sono presenti:

cromosoma batterico

sistemi enzimatici

ribosomi 70S

plasmidi (in alcune cellule)

granuli di materiale di accumulo

I granuli di accumulo rappresentano riserve di nutrienti come: glicogeno, polifosfati, zolfo

Membrana citoplasmatica

La membrana citoplasmatica dei batteri è molto simile a quella delle cellule eucariotiche.

È costituita da: doppio strato di fosfolipidi, teste idrofile orientate verso l’esterno, code

idrofobe orientate verso l’interno

Nella membrana batterica possono essere presenti molecole steroidee simili agli steroli

chiamate:

-aptanoidi (o hopanoidi)

Queste molecole hanno funzione di stabilizzare la membrana. Permeabilità e selettività della

membrana

Possono attraversarla facilmente: molecole piccole e molecole apolari

Attraversano con difficoltà: molecole grandi e molecole polari

La membrana trattiene:

-proteine

-enzimi

-molecole fondamentali del citoplasma

Proteine di membrana

Le proteine di membrana svolgono diverse funzioni:

1) Trasporto: trasportatori, permeasi

2) Funzioni metaboliche:

3) partecipano alle reazioni chimiche della cellula

4) Funzioni energetiche: coinvolte nei processi di produzione di energia

5) Secrezione: esportazione di proteine verso l’esterno della cellula

Energia nei procarioti

Nei procarioti l’energia viene accumulata sotto forma di gradiente protonico di membrana.

Questo gradiente è chiamato: forza proton-motrice

La forza proton-motrice è una differenza di concentrazione di protoni tra interno ed esterno

della membrana.

ATP sintasi

La produzione di ATP avviene grazie a un complesso proteico chiamato: ATP sintasi

L’ATP sintasi:

-è ancorata alla membrana plasmatica

-utilizza il gradiente protonico

-produce ATP a partire da ADP e fosfato

Secrezione delle proteine

I batteri possiedono sistemi specifici per esportare proteine all’esterno della cellula.

Uno dei sistemi principali utilizza le proteine: SecB, SecA

Il processo avviene in questo modo:

-SecB lega la proteina da esportare

-la proteina viene portata verso la proteina di membrana SecA

-SecA utilizza ATP per traslocare la proteina attraverso la membrana

-una volta fuori dalla cellula viene tagliata la sequenza segnale della proteina

Sistemi di secrezione

I batteri possiedono diversi sistemi di secrezione delle proteine.

Uno dei più studiati è:

sistema di secrezione di tipo III, questo sistema permette ai batteri di:

-iniettare proteine direttamente nelle cellule ospiti

-modificare il funzionamento delle cellule dell’organismo infettato

È molto importante nei batteri patogeni perché contribuisce alla loro capacità di causare

malattie.

Salmonella, parete batterica e colorazione di Gram

Salmonella

-La Salmonella è un batterio molto diffuso nel mondo ed è comune anche nei paesi

industrializzati. È una delle principali cause di enterite batterica (infezione intestinale).

L’infezione si trasmette principalmente attraverso l’ingestione di alimenti contaminati.

I sintomi compaiono generalmente tra 6 e 72 ore dopo l’ingestione dell’alimento contaminato

e possono durare circa 4-7 giorni.

-I principali sintomi sono: diarrea, dolore addominale, febbre, nausea e vomito, malessere

generale

-La Salmonella può contaminare diversi alimenti, in particolare: uova e derivati, carne poco

cotta, latte non pastorizzato, alimenti manipolati in modo non igienico

Nel caso delle uova la contaminazione può riguardare: il guscio, per contatto con materiale

fecale, il tuorlo, se il batterio penetra all’interno

Per questo motivo esiste un rischio di infezione quando si consumano alimenti preparati con

uova crude, come maionese o creme non cotte.

-Patogenesi dell’enterite da Salmonella

L’infezione avviene attraverso diverse fasi.

1) Ingresso per via orale: Il batterio entra nell’organismo tramite ingestione di alimenti

contaminati.

2) Invasione dell’epitelio intestinale: La Salmonella raggiunge l’intestino e invade le cellule

dell’epitelio intestinale.

3) Internalizzazione nelle cellule: Le cellule epiteliali intestinali reagiscono alla presenza del

batterio formando protrusioni della membrana che inglobano i microrganismi (processo di

internalizzazione).

4) Sopravvivenza nei macrofagi: Dopo aver attraversato l’epitelio intestinale, i batteri vengono

fagocitati dai macrofagi. Tuttavia la Salmonella è in grado di sopravvivere all’interno dei

macrofagi.

5) Replicazione e diffusione: I batteri si moltiplicano all’interno dei macrofagi, li distruggono e

si diffondono nei tessuti circostanti.

6) Risposta infiammatoria: si sviluppa una risposta infiammatoria locale che provoca: diarrea,

dolore addominale, febbre

Infine i batteri vengono eliminati con le feci.

Sistema di secrezione di tipo III

La Salmonella produce proteine che vengono iniettate direttamente nelle cellule dell’ospite.

Questo avviene attraverso un sistema di secrezione chiamato sistema di secrezione di tipo III

(TTSS, Type III Secretion System).

Questo sistema funziona come una sorta di “siringa molecolare” che permette al batterio di

introdurre proteine effettori nella cellula bersaglio. Queste proteine modificano il

comportamento della cellula ospite e favoriscono l’ingresso e la sopravvivenza del batterio.

Adattamento dei batteri all’ambiente

Le cellule batteriche devono adattarsi continuamente a diversi parametri ambientali, tra cui:

-temperatura

-pH

-concentrazione di ossigeno

-concentrazione di ioni

-disponibilità di nutrienti

-presenza di sostanze tossiche o antibiotici

-densità della popolazione batterica

Sistema di regolazione a due componenti

I batteri rispondono agli stimoli ambientali tramite sistemi di regolazione molecolare. Uno dei

principali è il sistema a due componenti.

È composto da:

-un sensore di membrana

-un regolatore della risposta

Funzionamento:

1. Il segnale esterno si lega al sensore di membrana.

2. Il sensore si attiva tramite fosforilazione.

3. Il segnale viene trasferito al regolatore della risposta.

4. Il regolatore si lega al DNA nel promotore dei geni bersaglio.

5. Avviene l’attivazione o la repressione dell’espressione genica.

Parete batterica

La parete batterica è una struttura rigida che circonda la cellula batterica.

Le sue funzioni principali sono:

-proteggere la cellula dalla pressione osmotica

-evitare la lisi osmotica

-conferire forma alla cellula

-permettere l’interazione con l’ambiente esterno

-contenere componenti antigenici riconosciuti dal sistema immunitario

La parete è presente in quasi tutti i batteri, tranne nei micoplasmi.

Membrana plasmatica

La membrana plasmatica batterica è composta principalmente da: fosfolipidi, proteine

La membrana svolge funzioni importanti:

-regola il passaggio delle sostanze

-partecipa ai processi metabolici

-contribuisce alla produzione di energia.

Micoplasmi

I micoplasmi sono batteri particolari perché non possiedono la parete cellulare.

Caratteristiche principali:

-involucro cellulare molle

-forma variabile (pleomorfismo)

-elevata resistenza ad alcuni antibiotici che agiscono sulla parete

Possono infettare diversi ospiti, tra cui animali e uomo. Un esempio è Mycoplasma

pneumoniae, che causa una forma di polmonite chiamata polmonite atipica o polmonite

comunitaria.

Peptidoglicano

Il principale componente della parete batterica è il peptidoglicano.

È una macromolecola tipica dei batteri formata da: zuccheri e catene peptidiche

Il peptidoglicano conferisce rigidità alla parete e protegge la cellula dalla pressione osmotica

del citoplasma. In assenza di questa struttura la cellula batterica andrebbe incontro a lisi

osmotica.

Componenti del peptidoglicano

La parte glucidica è formata da due molecole alternate:

-N-acetilglucosamina (NAG)

-acido N-acetilmuramico (NAM)

Queste molecole si organizzano in lunghe catene lineari:

NAG – NAM – NAG – NAM – NAG – NAM

Le catene sono unite da legami glicosidici e si dispongono parallelamente.

A ogni molecola di NAM è legata una catena di quattro amminoacidi, generalmente:

-L-alanina

-D-glutammato

-L-lisina (o meso-diaminopimelico nei Gram negativi)

-D-alanina

Le catene peptidiche collegano tra loro le catene di peptidoglicano formando una struttura

tridimensionale molto resistente.

Batteri Gram positivi e Gram negativi

I batteri si distinguono in Gram positivi e Gram negativi in base alla colorazione di Gram, che

riflette la diversa struttura della parete cellulare.

Gram positivi

Caratteristiche:

-parete spessa

-molti strati di peptidoglicano

-assenza di membrana esterna

-Durante la colorazione di Gram si colorano di blu-viola.

Gram negativi

Caratteristiche:

-sottile strato di peptidoglicano

-presenza di una membrana esterna aggiuntiva

-spazio periplasmatico tra le due membrane

-Durante la colorazione di Gram si colorano di rosa-rosso.

Colorazione di Gram

La coloraz