Microbiologia

Microbiologia

La microbiologia è la scienza che studia gli organismi microscopici, ossia invisibili ad occhio nudo, come batteri, virus, miceti, protozoi e prioni. La loro dimensione può variare da 1 millimetro fino a 1 nanometro. Quindi i microrganismi sono organismi troppo piccoli per essere visibili ad occhio nudo. I microrganismi si trovano un po' dappertutto; su 1g di terreno possiamo trovare fino a 10 di microrganismi, ma possiamo trovarli anche nell’acqua.

Hanno dei ruoli molto importanti in natura e sono molto utilizzati dall’uomo. Infatti, per esempio, vengono utilizzati come modelli sperimentali per lo studio della genetica molecolare e della fisiologia cellulare, oppure vengono utilizzati per la produzione di sostanze utili all’uomo come sieri, vaccini, antibiotici e vitamine.

La microbiologia è una disciplina molto vasta ed esercita un'enorme influenza sugli altri campi della biologia. Infatti, alcuni microrganismi sono responsabili del normale svolgimento della vita, intervengono ad esempio nel ciclo dell’azoto o nel ciclo del carbonio. Vengono utilizzati anche per produrre pane, aceto, yogurt, formaggi e vino, ma sono anche produttori di sostanze importanti per la nostra vita, come la vitamina K.

Microbiota umano

Il corpo umano è ampiamente colonizzato da microrganismi, che prendono il nome di microbiota umano, e possiamo trovare batteri, funghi e miceti. Alcuni sono in grado di moltiplicarsi a livello dei nostri tessuti senza provocare processi morbosi, ma alcuni invece sono in grado di provocare questi processi dannosi e prendono il nome di microrganismi patogeni.

Nella realtà, questa distinzione non è mai così netta, perché potenzialmente potremmo dire che tutti i microrganismi possono essere patogeni. Ci sono microrganismi ambientali, che normalmente in un soggetto sano, dove il sistema immunitario funziona in modo idoneo e corretto, non provocano nessun processo morboso. Ma questi microrganismi, che sono innocui, se vengono isolati da un soggetto in cui il sistema immunitario non funziona, quindi in un contesto patologico, allora in questo caso quei microrganismi possono essere patogeni opportunisti.

Prioni

I prioni sono proteine che possono assumere due forme diverse: una normale e una errata. Vanno ad indurre altre proteine ad assumere la conformazione sbagliata. Queste proteine sono normalmente presenti. Se sono delle proteine che svolgono funzioni importanti, quando assumono la conformazione errata possono interrompere la loro normale funzione o addirittura diventare tossiche. Quindi, un piccolo numero di prioni anomali può rovinare un’intera popolazione di prioni normali convertendoli. Per esempio, l’errato ripiegamento del prione PrP provoca degenerazioni mortali del sistema nervoso sia nell’uomo che in altri mammiferi. I prioni dalla forma errata sono contagiosi, così una piccola quantità di questi prioni può infettare e far ammalare un intero organismo.

Microbiologia medica

La microbiologia medica studia i rapporti fra microrganismi e uomo: non solo studia le malattie date da microrganismi patogeni, ma anche il ruolo fisiologico, come produzione di sostanze utili e protezione da patogeni.

Specie e classificazione

La specie è una popolazione di individui potenzialmente interfecondabili. L’uso della parola specie per i batteri raggruppa ceppi che condividono alcuni caratteri. Si usa per comodità anche se i batteri si riproducono principalmente in modo asessuale.

I batteri

I batteri sono microrganismi che rivestono un ruolo molto importante nelle infezioni e sono classificati secondo una classificazione che li raggruppa in famiglie, generi o specie. Anche se i batteri, nella realtà, non si riproducono mai in modo sessuale, si riproducono sempre in modo asessuato. Con l’avvento della biologia molecolare, oggi abbiamo una classificazione su base genetica fatta comparando le sequenze degli acidi nucleici e raggruppando le specie in base alle somiglianze di sequenza nucleotidica.

I batteri sono raggruppati in: specie, generi, famiglie e ordini, in base alla comunanza di caratteri ordinati gerarchicamente. Quindi possiamo definirla come una classificazione artificiale basata su caratteri comuni che possono essere morfologici, fisiologici o metabolici. Infatti, esiste un ordine gerarchico di importanza dei caratteri che vengono presi in considerazione, e sulla base di questo ordine vengono definiti gli ordini, le famiglie, i generi e le specie.

Nel 1886 Ernest Haeckel, un allievo di Darwin, propose per i microrganismi un nuovo regno detto regno Protista che racchiude le forme microbiche unicellulari (batteri, alghe e alcuni funghi) o organismi pluricellulari non differenziati in tessuti (muffe e funghi pluricellulari). A sua volta, il regno protista viene suddiviso in due sottogruppi che sono: procarioti ed eucarioti. In questa classificazione restano fuori i virus. Oggi, i microrganismi li classifichiamo in:

• Microrganismi eucarioti → Protozoi, funghi e alghe
• Microrganismi procarioti → Batteri, clamidie, rickettsie e micoplasmi
• Agenti infettanti subcellulari → Virus e prioni

Caratteristiche dei batteri

I caratteri che distinguono a livello dei batteri e delle varie famiglie, generi e specie, il primo fra tutti è il fatto di possedere una cellula di tipo procariotico. I batteri si differenziano dalle cellule di tutti gli altri organismi viventi eucarioti per l’assenza di nucleo delimitato dalla membrana nucleare.

I batteri possono presentare diverse forme:

• Cocchi → Sferici
• Bacilli → Bastoncelli
• Spirilli → Spiraliformi
• Vibrioni → A forma di virgola

Altre classificazioni seguono criteri basati su una particolare colorazione: la colorazione di Gram che divide in batteri in Gram+ e Gram-. Anche il rapporto che hanno i batteri con l’ossigeno ci permette di classificarli in: batteri aerobi obbligati stretti, batteri anaerobi obbligati stretti, batteri aerobi-anaerobi facoltativi.

La modalità di nutrizione:

• Batteri autotrofi → Utilizzano sostanze inorganiche semplici
• Batteri eterotrofi → Utilizzano sostanze organiche

Poi, abbiamo anche le caratteristiche biochimiche, per esempio la capacità di utilizzare certi substrati, sono caratterizzati dalla capacità di movimento, quindi sono mobili o immobili. Infine, anche in base alla capacità di resistenza che alcune specie batteriche formano quando le condizioni ambientali esterne diventano sfavorevoli e quindi si trasformano in spore batteriche, abbiamo batteri sporigeni e batteri asporigeni.

La maggior parte dei batteri hanno una delle tre forme ricorrenti: cocchi, bacilli e spirilli. I cocchi sono batteri sferici o ovali che possono raggrupparsi a formare diversi riarrangiamenti a seconda del piano di divisione cellulare. La divisione secondo un piano cellulare porta alla formazione di diplococchi o streptococchi. Oltretutto, i cocchi si dividono sempre secondo lo stesso piano cellulare; quando queste sfere poi rimangono aggregate formano delle catene. Questo è un carattere distintivo del genere streptococco. Differentemente, gli staflococchi non si dividono sempre secondo lo stesso piano cellulare, ma si dividono in piani casuali, e quindi rimanendo aggregati tendono a formare degli ammassi irregolari (a grappoli). Questa è una caratteristica distintiva del genere stafilococco.

I bacilli sono batteri a forma bastoncellare. Tutti i bacilli si dividono secondo un unico piano producendo raggruppamenti di bacilli, quindi una singola cellula o streptobacilli che tendono a formare delle catenelle, o coccobacilli nel caso in cui abbiamo a che fare con dei bacilli con forma allungata ma un po' schiacciata.

Gli spirilli possono avere tre forme: vibrio, spirilli o spirochete. Sono delle forme che caratterizzano proprio queste famiglie. Il vibrio, per esempio il vibrio colera, ha una forma curvata, un po' a virgola. Poi abbiamo gli spirilli che hanno una forma a spirale, oppure le spirochete che sono sempre a spirale ma più sottili e flessibili.

Struttura delle cellule batteriche

La cellula procariota, a differenza di quelle eucariote, è molto più semplice. Presenta un citoplasma in cui sono immersi il materiale genetico e i ribosomi. Ci possono essere, anche, dei corpi inclusi che rappresentano materiale di riserva, e possiamo trovare un materiale che può essere extra-cromosomico definito plasmidi. Il tutto è racchiuso da una membrana citoplasmatica all’esterno della quale troviamo una struttura chiamata parete cellulare, una struttura caratteristica delle cellule procariote (batteri) e all’esterno della parete cellulare possiamo trovare, a volte, delle strutture accessorie. Possiamo trovare anche i flagelli (rendono la cellula mobile), fimbrie e pili che sono anche esse strutture che possono essere presenti o meno nelle cellule batteriche e che conferiscono delle caratteristiche alla cellula che li possiede.

Citoplasma

Il citoplasma è costituito dall’80% di acqua, acidi nucleici (DNA o RNA), enzimi, amminoacidi, carboidrati, lipidi, ioni inorganici e molti diversi composti a basso peso molecolare. È la sede dove avviene la maggior parte del metabolismo batterico. All’interno di questo troviamo anche il nucleoide, i ribosomi e i corpi inclusi. Per quanto riguarda il patrimonio genetico, i batteri hanno un'unica molecola circolare di DNA super avvolta e immersa nel citoplasma. Ci sono delle eccezioni, per esempio, il vibrio colera ne ha 2 cromosomi o lo streptomicete ha un cromosoma lineare.

MEDIAMENTE 3-6 x 10⁶ bp, PESO MOLECOLARE ± 2-4 x 10⁹ Da, LUNGHEZZA 1,1 mm

Accanto a questo cromosoma batterico, che porta i geni codificanti per la vita del batterio, possono esserci degli elementi genetici extracomosomiali che portano dei caratteri che non sono poi così fondamentali, nel senso che il batterio può anche perdere il plasmide, ma continua a sopravvivere, ma che portano a volte dei caratteri che sono molto importanti per la sopravvivenza in certi ambienti. Per esempio, la capacità di resistere agli antibiotici, oppure la capacità di combattere le nostre linee di difesa, sono caratteri che vengono definiti fattori di virulenza che gli permettono di contrastare le nostre linee di difesa e provocare così l’infezione sull’uomo. Sono molecole di DNA che hanno una capacità replicativa autonoma e a volte si possono integrare nel genoma del batterio e questi plasmidi rivestono un’importanza notevole per quanto possono essere trasferiti da una cellula batterica all’altra attraverso un processo che viene chiamato trasferimento orizzontale di materiale genetico, può avvenire tra batteri di stessa o diversa specie, di fatti, i plasmidi sono molto importanti per questi trasferimenti.

Ribosomi

I ribosomi sono la sede della sintesi proteica e sono più piccoli rispetto ai ribosomi eucarioti. Sono composti da due subunità che si combinano quando c’è la sintesi proteica per formare il ribosoma completo. Normalmente una cellula batterica può arrivare a possedere circa 15.000 ribosomi.

Membrana citoplasmatica

La membrana citoplasmatica è molto importante, è una sede di scambio con l’esterno. Tutti gli enzimi correlati alla catena respiratoria (fosforilazione ossidativa) sono correlati alla membrana, questi enzimi sono inseriti in una struttura che permette di far posizionare in un modo che segua il loro potenziale di ossidoriduzione perché attraverso queste molecole c’è il passaggio di protoni ed elettroni che avviene in modo naturale fino all'ultimo accettore che è l'ossigeno (se parliamo di una respirazione aerobia).

Inoltre, la membrana partecipa anche ai processi di biosintesi come la sintesi della parete cellulare, oppure regola la replicazione del DNA. È importante nel trasporto attivo e passivo.

• Trasporto passivo → avviene in virtù di un gradiente di concentrazione solo per l’acqua e poche altre sostanze
• Trasporto attivo → necessita di proteine di membrana che fungono da carrier (trasportatori), richiede il consumo di ATP e consente di accumulare sostanze anche contro il gradiente di concentrazione.

È costituita da un doppio strato fosfolipidico simmetrico, come tutte le membrane citoplasmatiche, in cui le code idrofobiche si interfacciano e le teste idrofiliche sono all’esterno.

Parete cellulare

La parete batterica fornisce al batterio rigidità e robustezza, evitando che si danneggi quando si trova in un ambiente con ridotta pressione osmotica; svolge inoltre funzioni di difesa contro la fagocitosi e regolatrici sullo scambio di nutrienti e metaboliti con il mondo esterno (in sinergia con la membrana plasmatica). Quindi il batterio vive esclusivamente in un ambiente isotonico, cioè in un ambiente in cui la pressione osmotica esterna è uguale a quella interna alla cellula batterica. Permette di differenziare i batteri in base ad una colorazione particolare che si effettua, ed è la colorazione di Gram e permette di distinguere i batteri in Gram+ e Gram-.

La colorazione di Gram (dal nome del patologo danese che la mise a punto alla fine dell’800) è un metodo che classifica i batteri in base a differenze nella loro parete cellulare. I batteri vengono dapprima trattati con Cristal-violetto e poi con una soluzione iodo-iodurata (liquido di Lugol); quindi decolorati con alcool etilico o acetone e ricolorati con un colorante diverso dal primo (fucsina). Quelli che cedono il primo colore sono detti Gram-negativi (Gram -), quelli che lo trattengono Gram-positivi (Gram +).

La parete cellulare sia nei Gram+ che nei Gram- è costituita da una molecola denominata peptidoglicano. Quest’ultimo è fatto da lunghe catene in cui si vanno ad alternare residui di N-acetilglucosammina e acido N-acetilmuramico legati da ponti peptidi. Queste lunghe catene sono poi legate in connessione tra loro attraverso piccole catene peptidiche (fatte da pochi amminoacidi). Quindi si forma questa struttura abbastanza flessibile. La differenza tra un batterio Gram+ e Gram- sta nello spessore di questa parete.

Per quanto riguarda la parete cellulare dei batteri Gram+, possiamo dire che è costituita dal peptidoglicano molto spesso e all’interno di questa parete troviamo l’acido lipoteicoico o l’acido teicoico, si tratta praticamente di acidi teicoici che possono essere associati o alla parete cellulare oppure direttamente ai lipidi della membrana citoplasmatica. L’acido lipoteicoico è legato alla membrana citoplasmatica, mentre l’acido teicoico alla parete. Sono molecole che hanno una carica negativa e rendono negativa la parete di Gram positivi, non sono presenti nei Gram negativi, sono molto importanti in quanto controllano il movimento degli ioni, e in particolare l’assimilazione dei cationi metallici, e controllano l’attività delle autolisine, sono molecole importanti che hanno anche un carattere antigene cioè hanno la capacità di indurre la produzione di anticorpi specifici per quella molecola.

Tuttavia, nella parete possono essere anche immerse delle proteine, come la proteina M di streptococchi o la proteina A di stafilococchi che sono fattori importanti anche per il legame di queste specie batteriche alle nostre mucose, e infine, al di sotto di questo peptidoglicano troviamo la membrana citoplasmatica.

Nei Gram negativi, invece, il peptidoglicano è molto sottile. Però il Gram- sopra al peptidoglicano ha un’altra membrana esterna, anch’essa formata da un doppio strato ma è un doppio strato asimmetrico perché ha uno strato sottostante formato da fosfolipidi e uno strato sovrastante formato da una molecola che si chiama LPS (lipopolisaccaride) la quale è formata a sua volta da tre parti: la parte sottostante, che si interfaccia con lo strato lipidico, è costituito da lipide A, lo strato intermedio è formato da cinque zuccheri che prende il nome di core polisaccaridico, e poi ci sono delle lunghe catene polisaccaridiche che sono diverse a seconda della specie batterica con cui abbiamo a che fare, hanno carattere antigene O.

La presenza di lipidi non consente il passaggio di molecole idrofiliche: ci sono perciò canali che consentono la diffusione passiva (porine) di piccole molecole e proteine carriers per molecole più grosse. I batteri Gram- sono insensibili ad alcuni antibiotici che impediscono la sintesi del peptidoglicano (tipo penicillina), in quanto il farmaco non riesce a attraversare la membrana esterna. Tutto questo conferisce una carica negativa alla cellula e questa membrana esterna, inoltre, ha anche proprietà patogeniche. Il lipopolisaccaride conferisce delle proprietà patogenetiche al Gram- perché il lipide A è quella che noi chiamiamo endotossina.

Vedremo più avanti che, i batteri molto spesso esercitano la loro azione patogena attraverso la produzione di tossine, che sono dei veri e propri veleni, e che queste tossine sono divise in esotossine (prodotte e secrete all’esterno) oppure endotossine che sarebbe il lipide A, quest’ultimo induce parecchie azioni sull’ospite, come febbre, leucocitosi, ipoglicemia, coagulazione intravasale disseminata (formazione di trombi e petecchie).

Una particolarità la troviamo nei batteri appartenenti alla famiglia dei micobatteri, perché questi batteri hanno all’esterno del peptidoglicano una membrana esterna fatta di lipidi e cere, per esempio gli acidi micolici che rendono i batteri molto impermeabili all’ingresso di sostanze dall’esterno, anche di sostanze nutrienti, e questo è anche il motivo per cui nei laboratori questi batteri crescono molto lentamente.