Microbiologia

Microbiologia - primo semestre anno 2020/2021

Introduzione alla microbiologia

La microbiologia di fatto è uno studio che abbraccia molti ambiti, in particolare la microbiologia medica si occupa di studiare la relazione tra microrganismi (virus e batteri) e patologia legate ad essi e dunque si occupa di studiare gli agenti eziologici. La microbiologia medica si suddivide poi in sottogruppo in base all’organismo che causa l’infezione:

• Batteriologia (batteri)
• Micologia (funghi o miceti)
• Parassitologia (protozoi o metazoi – organismi unicellulari e vermi)
• Virologia (virus)

In realtà la microbiologia dovrebbe escludere i virus perché di fatto si occupa di studiare gli organismi ossia esseri viventi, ma i virus non sono considerati degli esseri viventi e dunque si dice solitamente microbiologia e virologia, ma per convenzione si fanno entrare. La microbiologia medica è legata ad altre discipline legate in un qualche modo con le malattie di infezione, e queste hanno dunque alla base dei concetti di microbiologia medica.

Microrganismi e la loro evoluzione

La microbiologia studia di fatto gli organismi piccoli (esseri viventi) ma di fatto i microrganismi sono unicellulari, invisibili ad occhio nudo, che a volte sono organizzati in strutture pluricellulari ma che non hanno a che vedere con organizzazione in tessuti e organi degli organismi più complessi. Mentre i virus non sono degli esseri viventi ma sono entità biologiche subcellulari, parassiti endocellulari obbligati. Ossia non sono in grado di duplicarsi e dunque hanno bisogno di un’altra cellula per potersi duplicare ed è proprio tale cellula ospite che utilizzano e dentro la quale vivono e sfruttano dunque per riprodursi.

I microrganismi sono i primi organismi comparsi sulla terra, circa 3 miliardi di anni fa. Ovviamente anche questi si sono evoluti poi ad esempio sono nati i primi microrganismi che potevano produrre ossigeno così da arricchire l’atmosfera e permettere tutta l’evoluzione degli organismi aerobi che poi ha portato alle cellule eucariotiche e agli organismi superiori. La comparsa dei primi organismi eucariotici è datata circa a 1 miliardo e 300 milioni di anni fa.

Classificazione dei regni

La classificazione dei regni si basa sull’organizzazione (cellulare e strutturale: procarioti, eucarioti) e nutrizione, che permette di avere cinque regni:

• Monere (organismi procariotici unicellulari) batteri – riproduzione asessuata, autotrofi o eterotrofi, chemiosintetici, cianobatteri i quali sono però fotosintetici
• Protisti (eucariotiche, unicellulari) protozoi – riproduzione asessuata o sessuata, eterotrofi o fototrofi
• Funghi (eucariotici uni e pluricellulari) lieviti (unicellulari) e muffe (pluricellulari) i quali non hanno distinzione tra organi e tessuti
• Piante (eucariotici pluricellulari)
• Animali (eucariotici pluricellulari)

Scienza della classificazione

La scienza che classifica la nomenclatura degli organismi è la tassonomia che ne fa una classificazione per affinità e dunque si ha una distinzione in:

Regno → Phylum → Classe → Ordine → Famiglia → Genere → Specie

Scienza che studia la classificazione degli organismi, ossia il loro inserimento, sulla base di determinate caratteristiche, in raggruppamenti omogenei (taxa), nonché la loro denominazione (nomenclatura).

Specie: organismi con uguali caratteristiche comuni

Ceppo: popolazione microbica derivata da una singola cellula iniziale

Dunque da qui deduciamo che:

• Super regno procarioti
• Regno monere

Il nome di un microrganismo deve essere scritto correttamente e segue di fatto la nomenclatura di Linneo dove ha due nomi di cui il primo riferito al genere e il secondo alla specie. Il nome si scrive sempre in corsivo, dove il nome del genere con lettera maiuscola e quella della specie invece con lettera minuscola. La specie è attribuita tramite caratteristiche comuni date per osservazione microscopica, per prove biochimiche (metabolismo), e ultimamente si sono unite anche le caratteristiche genetiche e dunque quanta similarità si ha dal punto di vista genetico.

Cellula eucariotica e procariotica

La differenza principale sta nella presenza o assenza di nucleo. Di fatto i procarioti non hanno il nucleo, che è invece presente nella cellula eucariotica. Ma di fatto oltre al nucleo, la cellula eucariotica non ha nessun tipo di organello intracellulare, cosa invece che caratterizza la cellula eucariotica. Dunque nella cellula procariotica ha una sola membrana, ossia quella esterna, infatti ha anche il suo materiale genetico riversato nel citoplasma e il sito in cui si ha situato il materiale genetico è detto nucleoide. La cellula procariotica è aploide dunque con un solo corredo genetico, ha i ribosomi deputati alla traduzione del RNA ma sono diversi da quelli eucariotici.

Una teoria spiega l’origine dell’eucariotiche dal procariote ed è la teoria endosimbionte. Le prime cellule erano anaerobie e procariotiche, non vivendo in atmosfera con ossigeno, tale teoria dice che dal procariote ancestrale, in seguito ad endosimbiosi ossia inserimento nella cellula di altre cellule più piccole con caratteristiche diverse, si è originata quella che è la cellula che oggi conosciamo, inglobando dunque cellule per endosimbiosi che avevano funzioni diverse. Da tale simbiosi dunque si avevano solo vantaggi per entrambe le parti. A favore si ha anche una prova ossia che i nostri mitocondri hanno materiale genetico a sé stante e dei loro ribosomi, e questi sono uguali a quelli dei batteri, essendo di fatto batterio anaerobio inglobato da una cellula più grande.

Evoluzione della microbiologia

La nascita della microbiologia si può ricercare già all’epoca di Lucrezio, si è però imposto come inizio quello che è stata l’evoluzione del primo microscopio fatto ad opera di un mercante di tessuti (Antoni van Leeuwenhoek) con cui osservava le trame dei tessuti ma con cui osservò anche ciò che di microscopico trovò sulla sua placca dentale, nella quale osservò degli esseri viventi con apparente vita propria. Fu poi Spallanzani che dedusse che la vita genera altra vita ma che non nasce in maniera spontanea.

• Petri (1877) propone l’utilizzazione di terreni in piastre
• Gram (1884) sviluppa il suo metodo di colorazione dei batteri
• Chamberland (1884) inventore dell’autoclave - allestisce un filtro per batteri → scoperta dei virus (Inizio Virologia)
• Ivanowsky (1892) dimostra l’eziologia virale del mosaico del tabacco
• Fine '800 - primi '900: identificazione di molti batteri e virus patogeni
• Alexander Fleming scopre la penicillina (1929)
• Scoperta dei sulfamidici (1935)
• Beadle e Tatum (1941) ipotesi un gene - un enzima
• Avery (1944) DNA depositario dell’informazione genetica
• Watson e Crick (1953) propongono la struttura a doppia elica del DNA
• Jacob e Monod (1961) propongono l’operone nella regolazione genica

Importanza della microbiologia

La microbiologia è importante perché di fatto noi ci serviamo dei microrganismi di continuo. In questa disciplina, due pilastri sono Pasteur, il quale dimostra che la fermentazione dell’acido lattico era dovuto ad un microrganismo ma confuta anche definitivamente la generazione spontanea e ideò numerosi vaccini. Altro pilastro è Koch, il quale ha elaborato i postulati di Koch e associa il microrganismo come causa eziologia di una malattia di infezione, scoperto anche il bacillo dell’antrace, della tubercolosi (la quale è la prima causa per malattia di infezione al mondo mentre la seconda è la malaria) e mise in atto anche delle culture pure di un solo microrganismo.

Un serio ostacolo ora di trovare nuovi farmaci antimicrobici è legato al fatto che si ha un forte problema di farmacoresistenza che causa di fatto questo lento sviluppo in questa direzione.

Dimensioni relative di vari microrganismi

Importante è l’ordine di grandezza dei vari microrganismi e dunque circa si ha che si basa sul micron (10^-6) per i microrganismi in generale, mentre i virus sono circa 10^-9 dunque nell’ordine dei nanometri, dunque si parla di unità molto piccole. Poi ovviamente alcuni microrganismi sono paragonabili alle cellule eucariotiche o altrettanti virus paragonabili alle cellule batteriche, ma questi sono di fatto eccezioni.

Per l’osservazione dei batteri è importantissima la colorazione, la quale viene applicata ai microrganismi soprattutto i batteri per poterli osservare al microscopio. I batteri solitamente vengono colorati una volta morti, sono specie basofile e dunque colorati con coloranti basici. Questo perché sul vetrino devono essere fissati e di fatto le cellule batteriche vengono legate grazie al liquido applicato al vetrino e successivamente fissati per lavorazioni ad alte temperature e dunque fissazione tramite calore. Ovviamente i coloranti e le tempistiche possono essere diverse per poi poterli osservare. Al microscopio si hanno due ingrandimenti quali uno all’obbiettivo e uno all’oculare, dove poi nel microscopio ottico si ha massimo ingrandimento x1000, dove però per l’obiettivo x100 si deve avere un accorgimento ossia utilizzare una goccia d’olio sul vetro che non fa perdere informazioni.

Colorazione di Gram

È una colorazione differenziale, ossia in grado di distinguere due microrganismi ossia gram positivi e gram negativi. Si utilizzano due coloranti quali il cristal violetto o il rosso. Questa colorazione è molto veloce e avviene una volta dopo averlo fatto fissare al vetrino e dunque si aggiunge il colorante. Successivamente si aggiunge un mordente che permette di fissare il colorante alle strutture batteriche. Il terzo passaggio, che è quello differenziale, permette l’utilizzo di un alcool e si ha che i batteri gram positivi rimangono colorati di viola, ma quelli gram negativi diventano trasparenti. Allora si utilizza il secondo colorante che ha il solo ruolo di colorare i batteri gram negativi che erano diventati trasparenti e dunque non più visibili. Dunque i batteri gram positivi sono colorati di viola e quelli gram negativi di rosso.

Ma perché si ha tale differenza? Tutto ciò sta nella struttura della parte batterica. Dalla colorazione dunque posso poi analizzarli nelle loro strutture, posso poi analizzare anche le culture batteriche e ottengo informazioni anche sulla forma assunta dall’intera popolazione.

La cellula batterica

Sono cellule procariotiche, le quali solitamente sono più piccole delle cellule eucariotiche, ma questa regola può avere delle eccezioni. I batteri sono divisi in gruppi per caratteristiche simili tra loro. I batteri sono classificati per gram ma anche per la forma e aggregazione che hanno:

• Cocchi
• Streptococchi
• Stafilococchi
• Diplococchi
• Tetradi
• Ottetti o sarcine
• Bacilli
• Diplobacilli
• Vibrioni
• Spirilli

Ma di fatto ci possono essere anche delle vie intermedie quali coccobacilli, dunque sono solo indicative queste classi altri di fatto non sono riconducibili ad una sola specie.

La cellula procariotica batterica è di fatto l’unica ad essere di interesse medico, non hanno organelli cellulari ossia neanche il nucleo e dunque il materiale genico (quale un cromosoma circolare) è localizzato nel nucleoide ossia una zona del citoplasma localizzata, hanno i ribosomi e possono avere dei granuli di riserva delle sostanze nutritive. Dal punto di vista strutturale tra gram positivi e negativi si hanno differenze solo nella parete, nei gram positivi però si ha una struttura quale il mesosoma che è un’invaginazione della membrana citoplasmatica fondamentale nella duplicazione, la sua funzione è ancorare il DNA e permettere la giusta suddivisione di questo nelle due cellule figlie e questa però è assente nel batterio gram negativo.

La vera differenza sta nella parete dove nei gram positivi si ha uno spesso strato di peptidoglicano e altre strutture che lo stabilizzano, invece nella parete dei batteri gram negativi si ha un sottile strato di peptidoglicano e una membrana esterna supplementare e dunque proprio tale doppia membrana causa una diversa colorazione nella colorazione di gram, perché di fatto l’aggiunta di alcol disperde e disgrega tale seconda membrana e dunque scolora questi batteri che permette una loro differenziazione. Entrambi possono avere degli organi di locomozione quali flagelli e capsula (che è un ulteriore strato oltre alla parete che dà importanti funzioni) ma i gram negativi possono avere anche i pili che danno delle funzioni aggiuntive.

Quindi strutturalmente si hanno delle componenti essenziali (parete, mesosoma, nucleoide) e alcune aggiuntive (pili, flagelli, plasmidi, capsula) che se presenti donano vantaggi alla cellula batterica e dunque sono più virulenti di altri che non hanno tali componenti. L’acqua è essenziale per le funzioni metaboliche dei batteri come gli altri esseri viventi ma anche per componenti strutturali, si hanno acidi nucleici con DNA e RNA, proteine, zuccheri, lipidi ma di fatto il 90% della cellula è fatta da acqua.

Ribosomi

Complesso riboproteico ossia proteine e RNA ribosomiale e di fatto questi sono sia nelle cellule eucariotiche che procariotiche ma di fatto hanno RNA e dimensioni diverse. La dimensione dei ribosomi è 80S (60 + 40) negli eucarioti mentre 70S nei procarioti (50+30), sono simili tra loro ma anche diversi che permettono ai farmaci di agire selettivamente sull’unità maggiore o minore.

Cromosoma

Molecola singola di DNA circolare bicatenario complessato con poliamine, privo di membrana nucleare e dunque riversato nel citoplasma tutto raggomitolato.

Membrana citoplasmatica

Uguale a quella di una cellula con doppio strato fosfolipidico con code idrofobiche interne e teste idrofile esterne, come qualsiasi altra membrana biologica segue il modello a mosaico fluido di Nicholson e Singer costituiti dal 60% di proteine e 40% di lipidi, e una piccola quantità di carboidrati, questa nei batteri è fondamentale perché tutte le funzioni adibite agli organelli in una cellula eucariote sono svolte dalla membrana.

Dunque di fatto la membrana ha tali funzioni quali protezione, forma, processo di divisione:

• Trattiene tutto il contenuto e non permette l’uscita del citoplasma e isola dunque tutto l’ambiente extracellulare da quello intracellulare;
• Sede dei citocromi e di generazione e accumulo della forza proton motrice;
• Attraversare la membrana non è facile infatti la prima penicillina non era attiva ai gram negativi causa il fatto che hanno una doppia membrana e dunque questo indica che è anche un’ottima protezione;
• Sulla membrana si hanno proteine transmembrana che hanno funzione di sensori ma anche carrier e permettono dunque il passaggio da una parte all’altra della cellula;
• Non avendo poi i mitocondri la produzione di energia è adibita a tali proteine nella membrana. Sono inoltre anche il sito di ancoraggio per strutture accessorie;
• È anche la sede della biosintesi di strutture cellulari come la parete stessa prodotta dunque qui a livello di tali proteine;
• Interviene nella suddivisione delle due cellule figlie nella riproduzione.

Il passaggio attraverso la membrana può essere:

• Diffusione passiva: non ha dispendio energetico e avviene mediante un gradiente e dunque da una zona a maggior concentrazione ad una a minor concentrazione → differente gradiente
• Diffusione facilitata: non consuma energia e avviene mediante proteine carrier ossia che lasciano passare in maniera specifica delle sostanze
• Trasporto attivo: consuma energia, utilizza proteine che mediano il passaggio e affinché avvenga il trasporto ci deve essere il consumo di una molecola di ATP

I micoplasmi non hanno la parete batterica e dunque hanno una forma sferica, di fatto la forma del batterio dipende dalla parete dunque la sua assenza assume la forma più comoda ossia quella sferica. La parete può anche essere persa e sono detti forma L e questo però porta ad un vantaggio al batterio perché di fatto li rende resistenti all’utilizzo di farmaci che vanno ad inibire la produzione della parete ma questi batteri la possono perdere e dunque non muoiono se privati di questa.

Struttura della parete batterica

In base alla struttura della parete i batteri si dividono in:

• Gram positivi
• Gram negativi
• Micobatteri

La parete batterica è costituita da peptidoglicano ossia il componente principale ma di fatto non è costituita solo da questo ma ha anche altre componenti. Vediamo alcune differenze tra la parete dei batteri gram positivi e gram negativi, quali:

Gram positivi

Hanno altre strutture utili sono acidi teicoici e lipoteicoici costituiti da polimeri di fosfato, glicerolo i quali possono avere una componente lipidica o meno la quale serve per ancorare il peptidoglicano alla membrana (il quale costituisce un grande strato) e dunque hanno una funzione importante per l’adesione della cellula batterica alla cellula dell’ospite. Di fatto questa adesione fa iniziare l’infezione ed è permessa dal fatto che tali acidi attraversano la membrana e sporgono poi da questa.

Gram negativi

Lo spazio tra le due membrane citoplasmatiche nei gram negativi è detto sazio periplasmatico nel quale si riversano molte proteine tra cui anche quelle inattivanti dei...