Microbiologia farmaceutica

Gram positivi

I gram positivi sono più semplici perché in realtà abbiamo questa struttura che è rappresentata dal peptidoglicano che non rimane sola ma è legata agli acidi tecoici e gli acidi lipotecoici che hanno delle funzioni. Anche qui abbiamo delle molecole rivolte verso l'esterno e poi abbiamo l'acido lipotecoico che serve a legare alla parte sottostante, ovvero alla membrana, questa struttura esterna. Poi abbiamo delle proteine di superficie sempre con la stessa logica; essendo un batterio rivolto verso l'esterno, questo ha bisogno di proteine di superficie che possono essere di diverso tipo con funzioni specifiche. La colorazione è violetto, ovvero un'assunzione della prima colorazione.

Struttura e funzione degli acidi tecoici

Come sono fatti gli acidi tecoici? Si ricordino gli amminoacidi del pentidoglicano, nel quale in terza posizione vi è l'acido metaminopimenico (negli stafilococchi ci sta anche il ponte di pentaglicina). Gli acidi tecoici sono dei polialcoli (che possono essere glicerolo) e sono strutture caratterizzate dalla presenza di cariche, perché poi esterificato a questi zuccheri abbiamo per esempio un gruppo fosfato e poi altri zuccheri o amminoacidi; perciò questa è una struttura altamente polare ed anche carica e ciò porta alla presenza di una carica negativa per la presenza di gruppi fosfato che potranno essere legati a ioni come lo ione magnesio, che permettono il funzionamento di alcuni enzimi. Questa carica esterna permette di dare un'impermeabilità a molecole idrofobiche e che quindi non vanno a danneggiare il batterio; quindi come nel primo caso per il peptidoglicano non è una grossa barriera, ma questa componente altamente carica e soprattutto con queste cariche negative che poi vengono a legarsi con gli ioni magnesio è un'impermeabilità a queste molecole idrofobiche. Da questo si deduce che questi batteri sono resistenti agli acidi biliari e tollerano anche concentrazioni piuttosto alte di NaCl (cloruro di sodio). Ovviamente non solo alofili (si ricordino gli estremofili).

Antigeni e proteine di superficie

Questa diversità può essere utilizzata anche per identificarli; per capire meglio si consideri lo stafilococco aureus, il quale cresce con un'alta concentrazione di sali e ciò ha portato ad allestire dei terreni per l'isolamento in cui è presente del cloruro di sodio e poi contiene il mannitolo, uno zucchero che viene fermentato dallo stafilococco aureus. Sicuramente gli acidi tecoici hanno una funzione di antigene, sono molecole costituite da più molecole, ed essendo antigeni vengono riconosciuti come no self dal nostro sistema immunitario; in più possono legarsi, associarsi a queste strutture anche delle proteine che sono molto importanti per alcune funzioni del batterio.

Proteine importanti nei gram positivi

In particolare si hanno due proteine per i gram positivi che sono molto importanti: la proteina M degli streptococchi e la proteina A degli streptococchi; esse sono dei fattori di virulenza. Ricordando che le componenti esterne hanno diverse funzioni di sentire l'ambiente esterno, di agire come antigeni ma anche tra i fattori di virulenza, per il batterio, è importante l'adesione perché un batterio per stare meglio non deve entrare nella cellula ma ci si deve attaccare. Considerando per esempio il flusso delle urine, attraverso l'adesione avviene l'eliminazione; quindi la proteina M è importante per l'adesione ed anche per l'azione antifagocitaria; la proteina A è invece una proteasi che serve alla difesa del nostro sistema immunitario. Sulla superficie possiamo quindi avere dei fattori di virulenza che hanno una funzione molto importante, non per la sopravvivenza del batterio ma per poter colonizzare meglio; quindi per l'esempio si attacca all'anticorpo e lo rende inattivo.

Recapitolando

Recapitolando, i batteri gram positivi sono costituiti da uno spesso strato di peptidoglicano e poi abbiamo l'acidi tecoici e l'acidi lipotecoici. Questi ultimi hanno una funzione di ancoraggio con la membrana sottostante; mentre gli acidi tecoici vengono riconosciuti come no self dall'organismo. Per quanto riguarda altre funzioni importanti per il collegamento esterno interno vi è l'impermeabilità del batterio alle sostanze idrofobiche; quindi questi acidi tecoici, poiché costituiti da molecole cariche come i gruppi fosfato, danno una carica di superficie che li rende una barriera alle sostanze idrofobiche e quindi protezione del batterio. Infine si può dire che le strutture superficiali danno barriera a sostanze che non devono passare e fanno passare le cose che vogliono far passare sia con meccanismi passivi (per esempio le porine della membrana) sia con meccanismi attivi (meccanismi fuori membrana).

Differenze gram + e gram -

• I gram - hanno la membrana esterna, i gram + no.
• LPS nei gram -.
• L'endotossina è alla parte più interna dell'LPS e perciò presente solo nei gram -.
• Gli acidi tecoici solo nei gram + e sono assenti nei gram -.
• Sporulazione: formazione di spore. I produttori di spore sono i generi Bacillum e Clostridium che sono bacilli gram positivi.
• La capsula è presente in entrambi.
• Il lisozima scinde il legame glicosidico e non passa nei gram negativi.
• La penicillina si lega con gli enzimi che servono per la formazione dei legami peptidici e glicosidici a livello di parete quando sono fuori e così inibiscono la sintesi del peptidoglicano.
• Più sensibili i gram positivi e più resistenti i gram negativi in quanto presentano la parete meno esposta.
• Produzione di esotossina. Dove l’esotossina è un prodotto essenziale del batterio per la sopravvivenza.

La capsula

I batteri possono avere una struttura più o meno compatta o lassa all'esterno che è un'ulteriore protezione per il batterio. Essa protegge la cellula dalla fagocitosi; ovvero il nostro organismo come prima difesa usa la fagocitosi, ovvero prende il batterio e lo elimina fagocitandolo; e questo lo riescono a fare perché riconoscono delle strutture che stanno sotto. Ma poiché la capsula protegge da queste strutture, il batterio non è fagocitato. La resistenza alla fagocitosi è un grande vantaggio per il batterio in quanto la fagocitosi è uno dei nostri primi meccanismi di difesa e se il batterio scappa dalla fagocitosi esso può andare nei punti più pericolosi. Non a caso i batteri che causano la meningite sono batteri capsulati. Essendo una parte esterna favorisce l'adesione. Una matrice generalmente di natura polisaccaridica che viene prodotta e messa all'esterno del batterio può contribuire a formare una struttura che va a coprire i batteri, inglobarli, formando il biofilm. Tuttavia, la definizione di biofilm è generalmente diversa poiché i biofilm sono delle molecole adese e poi avvolte attorno a questa matrice di natura polisaccaridica, e quindi il biofilm dà alle cellule microbiche caratteristiche di maggior resistenza agli antimicrobici. Questa struttura che circonda il batterio ha un'attività antifagocitaria e favorisce l'adesione (si sta parlando della capsula).

Capsula in vitro

Un’altra caratteristica del batterio è che spesso non è presente nelle culture in vitro. La cultura in vitro è una cultura in laboratorio. La capsula non può essere prodotta in vitro perché non ne hanno bisogno, perché il batterio ottimizza l'energia: cioè dove c'è bisogno costruisce mentre dove non c'è bisogno non costruisce. Non è tanto importante focalizzare l'attenzione, adesso, sulla cultura in vitro ma bisognerebbe focalizzarla sulla variabilità di produzione di fattori di virulenza, ovvero che essi possono produrre più o meno a seconda delle condizioni ambientali. In sostanza, come linea di difesa è molto importante e si hanno una serie di batteri che presentano la capsula sia gram positivi che gram negativi.

Fimbrie e pili

Le fimbrie e i pili sono strutture accessorie, filamenti che escono fuori dalla cellula e che sono costituiti da proteine, ovvero sono di natura proteica. Inoltre sono molto sottili, piccole e sono strutture osservabili al microscopio ottico data la loro piccola dimensione e perciò sono osservabili tramite il microscopio elettronico che permette un ingrandimento superiore. Abbiamo una costituzione di natura proteica (come si è detto sopra) che permette di formare questi pili. La cosa importante è che all'estremità di questi pili abbiamo delle strutture che permettono di legarsi a delle strutture dell'ospite poiché l'estremità è variabile, e di conseguenza non tutti si attaccano allo stesso modo; ci sono alcuni abbastanza specifici.

Pili e adesione

In linea generale questa estremità permette l'adesione delle strutture chiamate adesine. Una delle funzioni dei pili è appunto l'adesione che può essere più o meno specifica; diciamo che l'intento del batterio è aderire, cioè non farsi eliminare (non è quello di entrare nella cellula); ovvero il legame serve per non farsi eliminare. L'adesione può riguardare una struttura più o meno specifica presente su un tipo cellulare o su un altro; ovviamente quel cambiamento di struttura dell'estremità di questo pilo, cioè dell'adesina, può determinare la possibilità di aderire meglio ad un altro distretto e quindi a collocarsi in un distretto differente rispetto ad un altro; quindi può andare a colonizzare differenti distretti ed inoltre si ha che questa struttura è di natura proteica e le proteine sono antigeni (sono i primi antigeni, sono quelli immunogeni per eccellenza, poi in secondo luogo vengono i carboidrati) e perciò questi avranno un ruolo nel riconoscimento.

Pili e variabilità antigenica

Cosa significa se riesco a cambiare questa parte terminale? Significa che non solo riesco a cambiare dove posso mettermi ma riesco anche a evitare la risposta immunitaria, perché se io ero venuta a contatto tre anni fa con un batterio che aveva questa struttura, mi sono formata gli anticorpi per quel batterio e quindi una volta che entra lo elimino subito. Se questo mi va a cambiare la struttura, ovviamente io in seconda battuta non lo riconoscerò in quanto mi rappresenta un organismo nuovo, e quindi in questo caso si parla di immunità specifica (a differenza dell'immunità innata) e quindi in questo caso il cambiamento delle proteine che formano la struttura terminale dei pili può determinare sia un cambiamento di adesione sia un mancato riconoscimento degli anticorpi che si erano formati per quel batterio precedentemente.

Adesione e colonizzazione

L'adesione è fondamentale per la colonizzazione. Questo è il caso, per esempio, dell'uretra: si ha che l'urina deve essere sterile e i batteri possono venire dal basso a meno che non c'è una disfunzione particolare, ma possono risalire e andando a risalire possono causare la cistite. Per risalire essi si devono attaccare per evitare di essere eliminati dal flusso delle urine; ovvero essi devono avere sia la capacità di aderire a questo distretto che riuscire a sopravvivere in un contesto particolare. Ci sono alcuni batteri come la Neisseria gonorrhoeae (si legge gonorrée) che hanno proprio delle adesine specifiche per quel distretto. Di questo batterio, che è un cocco gram negativo, la listeria meningitis, conosciamo anche l'altro batterio di cui stiamo parlando ovvero il meningo cocco (non è altro che la listeria meningitis) quindi nell'ambito dello stesso genere, che è il genere Neisseria, abbiamo batteri completamente diversi che hanno la capacità di colonizzare distretti diversi. Per quale motivo? Perché sebbene strutturalmente abbiano molte caratteristiche comuni, hanno dei fattori di virulenza diversi che gli permettono di andare verso strade diverse (ovvero avere preferenza di un sito rispetto un altro). Quindi nota bene che i fattori di virulenza sono fondamentali per sapere dove colonizza, cosa fa e poi quali sono le nostre armi per combatterlo, poiché l'era degli antimicrobici che vanno ad uccidere il batterio sta passando poiché c'è un problema grossissimo di farmaco-resistenza e perciò si sono dovute trovare delle strade alternative per combattere questi microrganismi (in questo caso un bersaglio per questi batteri è la rimozione del fattore adesivo).

Funzioni dei pili

Quindi le funzioni dei pili sono l'adesione e la coniugazione. La coniugazione è data da pili particolari (cavi) i quali permettono il passaggio del materiale genetico da un batterio ad un altro. E questo è importante perché riescono a far passare delle informazioni da un batterio ad un altro. Questi faranno passare informazioni del tipo: resistenza, virulenza. Affinché avvenga questo processo, il batterio deve avere una struttura all'interno che si chiama plasmide; quindi in realtà non è una trasmissione del cromosoma batterico ma è la trasmissione di materiale extracromosomico che si trova nel plasmide, cioè il plasmide ha sempre DNA che codifica però delle proteine che sono informazioni accessorie. Quindi in conclusione chi ha il plasmide può trasmettere queste informazioni ad un altro mediante questo pilo. Questa è una delle possibilità dei batteri di trasmettere informazioni da un batterio ad un altro.

Flagello

Le fimbrie sono più piccole dei flagelli. Ma nonostante questo, quest'ultimi non si possono vedere al microscopio ottico. Ci sono anche altri sistemi di microscopia per osservare movimento ma che non si basa sull'osservazione del flagello ma si basa sull'osservazione del movimento.

Struttura e funzione del flagello

I flagelli, nelle cellule procariotiche, sono più semplici rispetto alle cellule eucariotiche. I flagelli servono per il movimento e sono una caratteristica dei batteri a forma cilindrica (i cocchi per la loro struttura non hanno bisogno di flagelli). Si ha che un batterio può essere monotrico, con un solo flagello ad un'estremità, anfitrico quando ci sono due flagelli alle due estremità, lofotrico se abbiamo un ciuffo di flagelli ad un'estremità e poi abbiamo peritrico se i flagelli circondano tutto il soma batterico. Per esempio il nostro E. coli è un peritrico in quanto ha tutti i flagelli che circondano il corpo del batterio. Ci sono dei flagelli che hanno una struttura diversa nonché un movimento diverso e che interessano le spirochete (eccezione).

Struttura del flagello

Il flagello è costituito da due parti: il motore ed una parte esterna. La parte esposta è un filamento che è costituito da subunità proteiche, flagellina; in poche parole, la parte esposta è la ripetizione di una stessa subunità proteica. Bisogna considerare che il batterio deve sintetizzare tante cose, il cromosoma non è gigantesco e quindi ovviamente molte sono ripetizioni della stessa struttura per avere un risparmio energetico. Inoltre il flagello è formato da un gancio che lega il filamento al corpo basale e il corpo basale è costituito da una struttura centrale che è il bastoncello e a questo bastoncello sono legati diversi anelli. Questi anelli hanno la funzione di ancorarsi alla struttura del batterio e poi ci sono legate delle proteine che hanno la funzione di motore, cioè devono prendere l'energia necessaria per far muovere questo filamento. Da questo deduciamo che il movimento flagellare è un movimento che richiede energia. L'energia la prende dalla forza protomotrice (infatti si hanno protoni all'esterno i quali entrando permettono di ridurre questo gradiente ma forniscono l'energia necessaria affinché avvenga questo movimento). La velocità è di 60 lunghezze cellulari al secondo (ciò significa che in rapporto alla dimensione il batterio è molto più veloce del ghepardo).

Anatomia del flagello nei batteri gram negativi e positivi

Detto ciò, si ha che il gram negativo possiede 4 anelli che sono collocati nelle diverse strutture (2 li abbiamo a livello di membrana, e questi sono fondamentali, 1 lo abbiamo a livello del peptidoglicano, 1 a livello della membrana esterna). Per i batteri gram positivi questo sarà più semplice in quanto si hanno solo 2 anelli. Il flagello si muove per movimento attivo quindi per consumo di energia e per rotazione del flagello. La rotazione può avvenire in senso orario o in senso antiorario, quindi a seconda del senso il batterio si muove in un modo o nell'altro. Se il batterio si muove in senso orario si ha un movimento casuale, mentre quando si muove in senso antiorario il batterio prende una direzione.

Chemiotassi

Il batterio prende una direzione per la chemiotassi, ovvero perché si avvicina a sostanze attraenti (come le sostanze nutritive) oppure perché si allontana da sostanze pericolose per il batterio. Essi si avvicinano e si allontanano grazie alla presenza di sensori che sono localizzati sulla superficie del batterio. Queste sostanze attraenti si legano a questi recettori presenti sulla superficie e questo legame con la sostanza attraente, man mano che aumenta la sostanza attraente che si lega, avviene una trasduzione del segnale che andrà a dire "muoviti". La trasduzione del segnale prevede la comunicazione intracellulare e per comunicare devono cambiare qualcosa: ci può essere la metilazione, la fosforilazione ed altri sistemi che servono per mandare il segnale (la più nota è la fosforilazione).

Spirochete

Le spirochete di interesse in questo caso, ovvero che si distinguono per determinati flagelli, sono la Leptospira, il Treponema pallidum (questo è l'agente causale della sifilide, una malattia a trasmissione sessuale). Essi hanno una forma molto diversa (cocco bacillo principalmente) e si muovono grazie ad un flagello che sta all'interno della membrana. Quindi questi hanno una struttura meno rigida che si può contrarre, e quindi essi si mu...