Microbiologia

Microbiologia (microbiologia2020)

I microrganismi

• Batteri (procarioti), no nucleo, no membrana nucleare, no organelli citoplasmatici.
• Miceti (eucarioti unicellulari o pluricellulari come le muffe).
• Protozoi (eucarioti unicellulari).
• Elminti (eucarioti pluricellulari).
• Virus (parassiti intracellulari obbligati) NO cellule, non può vivere se non all’interno di un ospite o cellula.

Batterio

Ha materiale nucleare sparso all’interno del citoplasma. Non ha il nucleo, neanche la membrana nucleare e gli organelli citoplasmatici. Misura circa un decimo del globulo rosso (8um). Il batterio anche se molto piccolo lo posso vedere al microscopio ottico mentre il virus solo al microscopio elettronico.

Quando hanno forma a bacillo sono dei cocchi, può anche essere a forma spirale e quadrato.

Un batterio si divide per scissione o fissione binaria. Se le due cellule figlie non si separano quindi rimangono attaccate nell’asse x, assumono la forma di streptococco ossia una catena. Se rimangono attaccate nell’asse x e y si parla di tetradi, se rimangono attaccate nell’asse x, y e z si parla di stafilococco.

Membrana citoplasmatica

La membrana citoplasmatica è formata da doppio strato fosfolipidico con code idrofobiche e teste idrofiliche. È priva di colesterolo, il ciclo di Krebs la fanno a livello della membrana citoplasmatica.

All’interno della membrana c’è il cromosoma disperso nella membrana, i plasmidi (non necessari), le proteine a giro nel citoplasma, i ribosomi (per sintesi proteica) e granuli di riserva per accumulo di glicogeno, polisaccaridi, polifosfati.

Elementi genetici di una cellula batterica

Fondamentali: cromosoma, genoma a DNA fatto da doppia elica circolare (no lineare come il nostro). Va tra i 4000 e i 9000 kb e ce ne sono da 1 a 4 copie per cellula in quanto la replica del genoma è molto più veloce della formazione delle cellule figlie. Quando la cellula madre si ingrandisce ha già fatto dei cromosomi che rimangono all’interno delle cellule figlie ma che ancora non si sono divise.

Accessori: plasmidi (sono autonomi e replicano come il cromosoma) ed elementi mobili (non autonomi). Non tutte le cellule ne hanno ma possono essere un vantaggio per quelle che le hanno in quanto portano dei geni che codificano una resistenza ai farmaci, hanno fattori di virulenza e sono capaci di replicazione.

Come varia il patrimonio genetico nei batteri?

Mutazioni (possono cambiare il patrimonio genetico):

• Spontanee.
• Indotte.

Scambio genetico (possono essere paragonati in qualche modo allo scambio sessuale):

• Acquisizione di nuovo DNA.
• Ricombinazione tra sequenze omologhe.

I meccanismi di scambio genetico sono 3:

• Trasformazione → può acquisire patrimonio genetico se una cellula accanto a lei muore che libera il DNA che viene acquisita dalla cellula che si trasforma.
• Coniugazione → se la cellula donatrice dona una parte del DNA ad una cellula ricevente.
• Trasduzione → se una cellula è stata infettata da un virus che acquisisce per sbaglio dei pezzi di DNA e quando va ad infettare un’altra cellula porta quei pezzi di DNA a quest’ultima cellula.

Cosa c’è all’esterno della membrana plasmatica?

C’è la parete batterica:

• Supporto meccanico rigido.
• Forma alla cellula (cocco, stafilococco etc).
• Impedisce la lisi osmotica.
• Permeabile ai soluti (quindi permette gli scambi).

La parete batterica è composta dal peptidoglicano (zuccheri acetilati e peptidi).

Il monomero base della parete batterica è fatto da zuccheri acetilati e peptidi e si chiamano acido N-acetil muramico NAM e la N-acetilglucosammina NAG. Questi due zuccheri sono legati da un legame Beta 1,4 glucosidico che lega il carbonio 1 al carbonio 4 appunto lega il NAM e il NAG. Attaccato al NAM ci sono 4 amminoacidi che noi non abbiamo, quindi c’è un tetrapeptide.

La parete batterica è rigida perché è fatta da una direzione in asse x da legami zuccherini o glucidico (ripetizione di NAM). Il terzo amminoacido del NAM lega con il quarto dello strato successivo formando un legame peptidico perpendicolare a quello glucidico. Il legame peptidico tra il terzo amminoacido e il quarto può essere diretto o mediato da altri 5 amminoacidi che sono le glicine.

Batteri Gram + e Gram -

I batteri sono divisi in due gruppi:

• Gram +.
• Gram –.

I batteri possono avere delle caratteristiche diverse a seconda della parete batterica. Gram era un signore che scoprì che i batteri si potevano colorare (viola Gram + e rosa Gram -). Già con la colorazione posso capire quale terapia fare.

Ho una provetta di un campione, lo prendo e lo metto su un vetrino. Lo devo fissare con metodi fisici (calore) o chimici (metanolo che entra all’interno della cellula e la disidrata appiccicandola al vetro). La fissazione al vetrino è importante perché viene ucciso e perché poi deve venire colorato. Una volta fissato lo metto del cristallo violetto, lo sciacquo con acqua, poi applico un trattamento iodico, lo risciacquo, poi applico una decolorazione (per Gram + tiene il colore viola, mentre il Gram – diventa rosa).

Qual è la differenza tra batteri Gram + e Gram -?

Gram + ha una parete che ha uno spesso di peptidoglicano (per questo non si decolora), mentre il Gram – ha uno strato sottile di peptidoglicano (per questo quando perde il colorante diventa rosa).

Differenza parete tra Gram + e Gram –

Gram +:

• Peptidoglicano (30-80%) che è compreso dalla parete cellulare.
• Acidi teicoici/lipoteicoici (10% peso secco cellula). Polimeri di alcoli (ribitolo e glicerolo) esterificati con ac. Fosforico.

Gram -:

• Peptidoglicano (sottile e senza acidi teicoici).
• Spazio periplasmatico →.
• Membrana esterna (porine e LPS, lipopolisaccaride) quindi ha il citoplasma, il peptidoglicano, lo spazio periplasmatico e la membrana esterna che contiene il lipopolisaccaride. Il tutto compreso dalla parete cellulare.

Struttura del lipopolisaccaride

Fatto da parte zuccherina Antigene O, una parte zuccherina chiamata Core, e una parte fatta da acidi grassi chiamata Lipide A che ha attività tossica. Quest’ultima deve essere secreta.

Componenti accessori della cellula batterica

1) La capsula: costituita da polisaccaridi e conferisce resistenza ed inibisce la fagocitosi.

È uno strato zuccherino che riveste la membrana esterna della cellula (quindi ancora più esterna della parete).

2) I flagelli:

• Organi di movimento.
• Corpo basale, uncino e filamento.
• La rotazione del flagello è energia-dipendente.
• Stimoli chemiotattici, aereotattici, fototattici, termotattici.

Il numero e la composizione del flagello varia a secondo della specie batterica, alcuni hanno mono flagello, altri più flagelli e altri sono ricoperti da flagelli.

C’è un’eccezione in cui il flagello si trova all’interno che dona movimento a serpentello.

3) I pili → più sottili dei flagelli, ogni pilo ha una testa che fa aderire i batteri ai recettori della cellula ospite.

• Composti da pilina.
• Funzioni di adesione, colonizzazione e di coniugazione (eccesso di scambio genetico, fatto solo da pili sessuali).

La cellula batterica

Le spore

Le spore (solo i batteri sporigeni posso fare spore, gli altri no):

• Prodotte da Bacillus e Clostridium.
• Forme batteriche criptobiotiche adattate a condizioni ambientali sfavorevoli (essiccamento, variazioni di pH, CO2, O2, radiazioni, mancanza di nutrimenti).
• Metabolicamente inattive, possono rimanervi per molto tempo.

Una cellula normale quindi, dopo una serie di processi, può andare incontro alla germinazione della spora.

Struttura della spora

Ha forma essiccata che conferisce alla spora resistenza e ha molti strati concentrici che la isolano all’ambiente esterno. All’interno vi è la cellula batterica con nucleo, citoplasma, membrana plasmatica, parete cellulare, poi c’è il cortex, rivestimento interno, rivestimento esterno.

Termo resistenza (100°):

• C. Botulinum, 330 min.
• C. tetani, 90 min.
• C. perfringens, 30 min.

Posso inattivare le spore con:

• Calore secco (incenerimento).
• Calore umido (mediante autoclave: 121°,15 min, 1 atm).
• Tindalizzazione (ripetute esposizioni a 60/80°C per 30 min per indurre lo stato di attivazione della spora, quindi la inattivazione delle forme vegetative).

Patogenicità, virulenza e infezione

Patogenicità → capacità di causa danno ad un organismo.

Virulenza → misura del grado più grave di patogenicità.

Infezione → processo di colonizzazione/invasione di un epitelio mucoso e moltiplicazione con o senza sviluppo di malattia.

Difese dell’ospite verso le infezioni batterie avviene in due processi:

• Fagocitosi → entrata del batterio e sua distruzione.
• Sistema del complemento → costituito da proteine sieriche dell’ospite con funzioni batteriche tra cui la lisi (solo per batteri gram-), la chemiotassi (richiamo di cellule del sistema immunitario nel sito di infezione) e opsonizzazione (fattori di complimento che servono di riconoscimento da parte dei fagociti professionali).

Quando parlo di malattia devo considerare non solo il patogeno ma anche l’ospite, perché a parità dello stesso batterio patogeno, due ospiti diversi due sviluppi diversi.

Relazione ospite-parassita:

• Rapporto mutualismo → beneficio reciproco (microbiota) o di indifferenza.
• Rapporto di parassitismo → il patogeno danneggia l’ospite (virus).

Triade della malattia → non posso considerare solo l’ospite o solo il patogeno ma anche l’ambiente.

Concetto Iceberg della malattia → nella maggior parte dei casi ho un’infezione asintomatica, poi infezione asintomatica con sintomi lievi, poi con sintomi medi, poi con sintomi severi ed infine casi che richiedono terapia intensiva.

Microbioma umano

Microbiota → rappresenta tutta la popolazione microbica presente in un organismo.

Microbioma → rappresenta tutti i genomi e quindi i geni che comprendono il microbioma.

Un gene umano per cento geni microbici. (in termine di microbioma si è diversi dell’80-80% mentre per i geni eucarioti si è uguale per il 99%).

Il microbiota ha ruolo di stimolazione del sistema immunitario ma anche nella nutrizione.

Microbiota in vari distretti

• Cute.
• Cavità orale.
• Apparato gastro intestinale.
• Apparato respiratorio.
• Apparato genito-urinario.

Campioni e distretti corporei biologicamente sterili

• Sangue, liquor, liquido pleurico, liquido pericardico, liquido peritoneale, fluidi articolari, biopsie di tessuti sterili.
• SNC, organi interni, apparato muscolo-scheletrico, uretere/uretra posteriore, orecchio medio/interno, vescica, utero, endometrio, cervice uterina.

Ruolo del microbiota umano

• Protezione dalla colonizzazione di microbi patogeni (interferenza).
• Nutrizione.
• Stimolazione sistema immunitario.
• Morfogenesi apparati.
• Causa di infezioni opportuniste.

Le infezioni opportunistiche (sono infezioni che avvengono in certe condizioni) e comprendono:

• Microbiota (esempio: escherichia coli).
• Batteri ambientali (aria, acqua, cibo, suolo).
• Pazienti immunocompromessi → possono essere suscettibili ad infezioni opportunistiche.
• Infezioni nosocomiali.

Batteri patogeni

Il danno verso la cellula somatica può avvenire sia da parte del batterio che mediato dall’ospite.

1) Nel caso del danno causato dal batterio abbiamo una secrezione di tossine dallo stesso che va a causare danno la cellula.

2) Nel caso del danno mediato dall’ospite invece abbiamo l’antigene che con i leucociti vanno a danneggiare la cellula.

Fasi dei batteri:

• Adesione.
• Invasione.
• Prodotti metabolici della crescita batterica (gas, acidi).
• Tossine.
• Enzimi degradativi.
• Tossine a struttura A-B.
• Endotossine.
• Superantigeni.
• Induzione di una risposta infiammatoria eccessiva.
• Elusione della “clearance” fagocitica ed immunitaria.
• Resistenza agli antibiotici.

Siti di ingresso nelle infezioni batteriche

• Bocca.
• Tratto respiratorio.
• Tratto alimentare.
• Tratto urogenitale.
• Ano.
• Congiuntiva.
• Graffio o lesione.
• Artropode (animali invertebrati, come zanzara).
• Capillare.
• Pelle.

Le vie sono:

• Ingestione.
• Inalazione.
• Penetrazione diretta.
• Trauma.
• Aghi da iniezione.
• Punture d’artropode.
• Trasmissione sessuale.
• Transplacentare.

Tappe del processo infettivo

Colonizzazione (non è detto con manifestazione di malattia):

• Adesione.
• Invasione.
• “escape” dalle difese immunitarie.
• Disseminazione.

Danno:

• Tossine.
• Infiammazione.
• Processi autoimmunitari.

Adesione

• È la prima fase della colonizzazione dell’ospite.
• Conferisce al microrganismo la capacità di resistere alla rimozione meccanica operata sulle mucose.
• Interazione tra componenti batterici (pili, adesine…) e recettori dell’ospite.
• Responsabile del tropismo di tessuto.

Invasione dei tessuti: due meccanismi

1) In una il batterio entra nei microvilli che appunto li fagocitano per poi replicarsi all’interno e spostarsi per tutta la superficie del tessuto tramite le code dell’actina.

2) Nell’altro meccanismo vi è la distruzione del tessuto connettivo → ialuronidasi, collagenasi, strepto/stafilo-chinasi.

Sovversione delle difese immunitarie

• No opsonizzazione (pneumococco).
• No opsonizzazione (S. aureus).
• No ingestione (Yersinia).
• Escape dal fagolisosoma (Shigella).

Le tossine batteriche

Le tossine batteriche sono molecole con attività tossica nei confronti dell’ospite: la produzione di tossine è uno dei meccanismi principali con cui i batteri causano le malattie (esempio: tetano, difterite, pertosse, colera).

Le tossine batteriche si dividono in 2 gruppi:

• Endotossine → componenti strutturali e quasi sempre rilasciate in seguito alla lisi.
• Esotossine → rilasciate nel mezzo esterno da cellule vitali.

Endotossina (LPS)

Ogni endotossina si crea dalla lisi di un batterio a gram -, questo comporta la formazione di LPS, poi LPS binding protein ed infine bound LPS.

L’endotossina di piccole quantità che sceglie cellule bersaglio le quali si attivano e causano effetti come la febbre, la vasodilatazione, l’incremento della sintesi degli anticorpi ed infiammazione.

L’endotossina di grandi quantità provoca shock e coagulazione intravascolare.

Neurotossine: TT (tetanus toxin) e BT (botulinum toxin)

La tossica tetanica agisce a livello del SNC in particolar modo a livello della giunzione tra il neurone cerebrale e neurone inibitorio. Invece la tossina botulinica va ad agire a livello della placca muscolare ossia a livello del SNP il cui recettore è l’acetilcolina.

In assenza di tossina il neurone eccitatorio libera acetilcolina che porta la contrazione del muscolo ma per evitare ciò viene regolata da un neurotrasmettitore inibitorio che va a bloccare l’acetilcolina quindi impedisce la contrazione del muscolo e dunque vi è un rilassamento del muscolo.

In presenza di tossina tetanica il neurotrasmettitore inibitorio, questa tossina si va ad infilare tra neurone eccitatorio e inibitorio e quindi viene rilasciata acetilcolina continuamente e quindi il muscolo sta in uno stato di perenne paralisi spastica, ossia sempre contratto che può portare a morte per so.