Microbiologia (tutto il programma)

Microbiologia: microrganismi eucarioti e procarioti

Cellula batterica

Composizione, dimensioni, classificazione, organizzazione

Cellula procariotica

Interno: nucleoide, cromosoma batterico, cromonema, DNA

Esterno: parete cellulare, peptidoglicano, particelle esterne

Colorazione Gram

GRAM +

GRAM -

Colorazioni particolari: Ziehl-Neelson, Leifson

Spora batterica o endospora

Struttura, morfogenesi, colorazione Shaeffer

Divisione batterica

Metabolismo e conversione di energia (glicolisi, respirazione, fermentazione)

Interazione ospite-parassita

Flora microbica normale, infezioni opportunistiche, classificazione batteri

Processo patogenetico

Colonizzazione, infezione, malattia

Esotossine ed endotossine

Microbiologia clinica

Obiettivi, fasi

Diagnostica diretta (es. microscopico, culturale, antibiogramma)

Diagnostica indiretta

Infezioni batteriche

• Stafilococchi
• Streptococchi
• Neisserie
• Micobatteri
• Enterobatteri

Fattori di virulenza e tipi di esotossine

Virus

Struttura, organizzazione, caratteristiche, capside, peplos

Replicazione virale

Azione patogena dei virus e meccanismi di difesa

Epatiti (A, B, C, HIV)

Funghi e infezioni funginee

Lieviti e muffe

Microrganismi

La microbiologia è la scienza che si occupa dello studio dei microrganismi (dal greco microbo = piccolo e bios = vita). Tutti i microrganismi sono esseri unicellulari e, come tali, sono indipendenti e autonomi, il che significa che quando si uniscono a formare aggregati multicellulari, formano una sostanziale equivalenza, ma le singole cellule hanno una propria funzionalità metabolica e riproduttiva.

Domini degli esseri viventi

• Bacteria: comprendono i procarioti
• Archea: procarioti
• Eucarya: comprende gli eucarioti

I microrganismi quindi si distinguono in eucarioti e procarioti.

Eucarioti e procarioti

Cellula batterica

Composizione chimica

Acqua: 80% del peso totale, fornisce loro il mezzo in cui muoversi e interagire

Componenti inorganici: K, Na, Mg, Ca, Fe, Zn, P, S

Componenti organici: complessi a basso peso molecolare o sotto forma di polimeri

Dimensioni e morfologia cellulare

La cellula batterica è una cellula procariotica, di piccole dimensioni (tra 2 e 200 micron), la cui forma può essere sferica o cilindrica, la lunghezza varia tra 0,5 e 3 micron. Se consideriamo un batterio, essi hanno una superficie media di 12 micron² con un volume di circa 4 micron³. Se rapportiamo la superficie rispetto al volume, quindi 12:4, avremo un rapporto di 3 a 1. Nella cellula eucariotica si avrà un rapporto di 0,3 a 1. Quindi più grande è la cellula, più sfavorevole è il rapporto superficie-volume.

La crescita e le dimensioni di una cellula sono influenzate da una variabile, il tasso metabolico, che è direttamente proporzionale al diametro della cellula (d)². Formula: 1/k x (d)². Il tasso metabolico sarà minore nelle cellule procariotiche e maggiore in quelle eucariotiche. Però da ricordare che le cellule più piccole hanno un rapporto favorevole tra la superficie e il volume rispetto a quelle eucariotiche che hanno un rapporto sfavorevole tra superficie e volume anche se con un tasso metabolico più alto. Quindi una cellula procariote, nonostante il tasso metabolico inferiore rispetto ad una cellula più grande, ha a disposizione una superficie più ampia attraverso cui scambiare sostanze nutritive e materiale di scarto, quindi sopravvive anche con una struttura organolettica più semplice. La cellula eucariote, anche se ha un tasso metabolico più elevato, avrà una superficie minore attraverso cui scambiare le sostanze nutritive e materiale di scarto per cui ha bisogno di una serie di strutture e organelli che rendono efficienti i processi di scambio. Quindi le dimensioni sono in rapporto con il tasso metabolico e la complessità strutturale della cellula. Le ridotte dimensioni consentono una penetrazione più efficiente dei nutrienti che raggiungono ogni parte del batterio (al contrario gli eucarioti necessitano di organelli specializzati nel metabolismo).

Principali morfologie cellulari

• Cocchi: sferici o ovoidali (coccobacillo vibrione)
• Bacilli: bastoncellari (se corto e rigonfio, se leggermente ricurvo)
• Spirilli: bastoncelli elicoidali, a virgola o ricurvi
• Spirochete: forma "a molla"
• Peduncolati: dotati di estrusioni a forma di tubuli/peduncoli
• Filamentosi
• Pleomorfi: a morfologia variabile

Organizzazione cellulare

L'organizzazione cellulare e la disposizione nello spazio dipendono poi dalla modalità di divisione e dai rapporti che le cellule figlie mantengono tra loro:

• Cocchi
  • Singoli
  • Diplococchi (in coppia)
  • Catenelle
  • Tetradi (4 cellule su 2 piani)
  • Sarcina (su 3 piani, forma cubica, da 8 a 64 cellule)
  • Ammassi (piani casuali e irregolari)
• Bacilli
  • Catenelle (il piano di divisione è perpendicolare alla struttura stessa del bacillo)
  • Palizzata (il piano della divisione è parallelo alla struttura stessa del bacillo)

Cellula procariotica

Partendo dall'interno, individuiamo una regione detta nucleoide, che contiene il cromosoma batterico, non delimitata da membrana citoplasmatica. Il cromosoma batterico, detto anche cromonema, è costituito da un singolo, bicatenario e lungo filamento di DNA con struttura circolare super avvolto. Se andassimo a distendere questo cromosoma, mediamente avrebbe una lunghezza di 1000 micron (contiene circa 3500 geni); associati ai geni troviamo numerosi enzimi tra cui la DNA-topoisomerasi necessaria per la replicazione. Il patrimonio genetico dei batteri è contenuto principalmente nel nucleoide; ma vi è tuttavia materiale genetico che contiene altre informazioni. Si parla pertanto di elementi genetici extra cromosomici ossia piccole porzioni di DNA sempre a struttura circolare che possono appartenere a due categorie:

• Plasmidi: ossia piccoli tratti di DNA a doppia elica esterni al cromosoma, si replica autonomamente, possono contenere informazioni per alcune caratteristiche fenotipiche che possono aumentare l'azione patologica del germe
• Elementi trasponibili (trasposoni): cioè piccole sequenze di DNA che hanno alle loro estremità delle sequenze di inserimento, in grado di inserirsi nel cromosoma batterico o in un plasmide. Prendono questo nome perché possono spostarsi all'interno del cromosoma batterico da un punto all'altro, possono spostarsi dal cromosoma batterico verso un plasmide oppure staccarsi da un plasmide e inserirsi nel cromosoma batterico.

Funzioni

• Cromosoma batterico
  • Trasmissione dei caratteri da una cellula alle generazioni successive
  • Presiede alla sintesi dei fattori che regolano il metabolismo cellulare
  • Il DNA determina quali proteine ed enzimi è in grado di sintetizzare l'elemento cellulare e quindi quali reazioni chimiche è in grado di svolgere
• Plasmidi, trasposoni
  • Veicolano sequenze geniche non presenti sul cromosoma, codificanti per differenti prodotti
  • Possono replicarsi autonomamente e permanere nella cellula per numerose generazioni
  • Codificano per fattori di virulenza (es. antibiotico-resistenza)

Il citoplasma ha un aspetto granulare ed è privo di molti organelli come reticolo endoplasmatico, mitocondri. Composizione: per l'80% è costituito da acqua, per il 20% da sali e proteine, vi sono gli acidi nucleici (DNA; RNA), enzimi, carboidrati, amminoacidi, lipidi. Con il termine citosol indichiamo la porzione liquida. Il citoplasma è deputato alla sintesi proteica grazie alla presenza dei ribosomi (essendo più piccoli rispetto a quelli eucariotici, anche il numero e le dimensioni delle proteine saranno ridotte). Composizione: 60% RNA-ribosomiale + 40% proteine, fatti da 2 subunità asimmetriche (50 S + 30 S) con costante di sedimentazione 70 S. Nel citoplasma possono esserci delle granulazioni che variano tra loro per volume e contenuto. Tipologie:

• Glicogeno (rivestiti da membrana e svolgono funzione di accumulo di materiali nutritivi di riserva)
• Poli-B-idrossibutirrato
• Polisaccaridi o polifosfati (detti anche granulo metacromatici o di volutina in quanto si colorano di rosso con il blu di toluidina; svolgono la funzione di riserva di fosfato)
• Vescicole gassose (per il galleggiamento)
• Granuli di zolfo e fosfato
• Magnetosomi

Tutto l'ambiente citoplasmatico è delimitato da una membrana cellulare. Tra gli involucri cellulari troviamo la membrana cellulare e la parete cellulare.

Membrana cellulare

La membrana cellulare è una struttura sottile (spessore di circa 8 nanometri) e costituisce un vallo tra il citoplasma e l'ambiente extracellulare. È costituito dal 60% di proteine, per il 40% da lipidi e fosfolipidi e infine piccole quantità di carboidrati.

Organizzazione della membrana

• Doppio strato fosfolipidico
  • Regione idrofilica (glicerofosfato)
  • Regione idrofobica (acidi grassi)
• Proteine associate alla membrana o integrali di membrana
• Panoidi: molecole con azione stabilizzante la frazione lipidica

Funzione della membrana

1. Funge da barriera di permeabilità
   • Regolazione selettiva degli scambi di nutrienti metabolici da e per l'ambiente extracellulare
   • Trasporto passivo: avviene secondo gradiente di concentrazione, quindi senza consumo di energia. Esempi sono la diffusione semplice o facilitata che avvengono secondo la presenza di un gradiente osmotico quindi da zone più concentrate a zone meno concentrate e sono più veloci
   • Trasporto attivo: avviene contro gradiente di concentrazione e quindi implica consumo di energia. A volte prevede l'uso di trasportatori proteici oppure la traslocazione di gruppo
2. Sede di processi biosintetici
   • Vengono sintetizzati fosfolipidi, avvengono i processi di produzione di ATP, è sede di ancoraggio delle proteine che possono svolgere funzione di recettore, è sito di aggancio per il cromosoma batterico, è sede di ancoraggio dei flagelli tramite delle strutture ad anello dette ring.

Parete cellulare

Più esternamente troviamo la parete cellulare che come prima finalità ha quella di dare una certa consistenza, sotto forma di involucro, al rivestimento più esterno. È una struttura piuttosto rigida (da cui poi dipende la forma del batterio) con spessore di circa 10-80 milli-micron ed è permeabile.

Peptidoglicano

La componente principale è un complesso polimerico detto peptidoglicano o mureina. La struttura è quella componente della parete che conferisce rigidità alla stessa; la particolarità è che si ottiene dalla ripetizione di n-volte di una unità strutturale di base (che non si trova in altre strutture biologiche). L'unità strutturale è formata da 2 carboidrati azotati: N-acetilglucosamina (NAG) (troviamo anche in altri materiali biologici) e Acido N-acetilmuramico (specifico della parete cellulare batterica). Tra i due elementi di base e le diverse strutture di base ripetute, c'è un legame β, 1-4 glicosidico (che può essere sciolto solo lisozima). L'acido N-acetilmuramico in corrispondenza del gruppo carbossilico ha legata una catenella tetrapeptidica. Gli aminoacidi in posizione 1,2,4 sono costanti, in particolare in posizione 1 c'è la forma L dell'Alanina, in posizione 2 c'è la forma D dell'Acido Glutammico, in posizione 4 c'è la D di Alanina. La parte variabile della catenella tetrapeptidica è in corrispondenza del terzo aminoacido, nella parete dei germi Gram + il terzo aminoacido è la Lisina in forma L, invece nella parete dei Gram - in posizione 3 c'è l'aminoacido Mesodiaminopimelico.

Attraverso il legame β, 1-4 glicosidico questi amminozuccheri si legano l'uno all'altro, formando un polimero lineare. Però il peptidoglicano è un costituente fondamentale della parete dei batteri quindi il semplice polimero lineare non riuscirebbe a costituire un involucro che invece ha una struttura tridimensionale; quindi è evidente che ogni polimero lineare di peptidoglicano per poter formare una struttura tridimensionale deve essere legata ad altri polimeri lineari. Questi legami avvengono mediante i legami crociati peptidici che possono essere:

• Diretti (caso dei gram +) quando si stabiliscono tra D-alanina terminale di un tetrapeptide e l'acido meso-diaminopimelico in posizione 3 nel tetrapeptide adiacente
• Indiretti (caso dei Gram -) quando si stabiliscono tra D-alanina terminale e l'amino gruppo della L-lisina in posizione 3

Funzioni del peptidoglicano come costituente della parete cellulare:

• Conferisce rigidità e forma alla cellula
• Previene la lisi osmotica e il collasso in risposta a variazioni di pressione osmotica
• Protegge la cellula dagli insulti meccanici
• Contribuisce alla patogenicità batterica
• Protegge la cellula da sostanze tossiche
• Può interferire con la fagocitosi
• Presenta proteine di superficie che agiscono come adesine, invasine, o enzimi
• Nei Gram + è responsabile della attivazione del complemento e tolleranza dei sali biliari e NaCl
• Nei Gram - la natura semipermeabile previene l'ingresso di sostanze tossiche

GRAM +

La parete è una parete molto spessa (200–800 Angstrom), ha elevata polarità attribuita dagli aminozuccheri e aminoacidi che formano il peptidoglicano (che è abbondante, in foto rappresentato in rosa) e ai radicali fosforici degli acidi teicoici. L'elevata polarità fa sì che i gram + sopravvivano in presenza molecole idrofobiche (come i sali biliari) che danneggiano la struttura della membrana citoplasmatica. Al contrario, è facilmente permeabile da sostanze idrofile come aminoacidi, zuccheri. La parete dei gram + è formata da numerosi strati di peptidoglicano a formare una parete spessa completata da altri elementi strutturali, come gli acidi teicoici.

Gli acidi teicoici

Costituiscono il 10% del peso cellulare. Dal punto di vista chimico sono dei polimeri idrosolubili di alcoli polivalenti (glicerolo e ribitolo) esterificati con acido fosforico, a cui può legarsi una componente glucidica sotto forma di monosaccaridi e/o aminoacidi. Questa composizione chimica contribuisce a determinare la polarità e quindi la carica elettrica negativa della superficie cellulare. Gli acidi teicoici sono legati da legami covalenti al peptidoglicano (che tendono a tenere in superficie cationi positivi come Ca²⁺, Mg²⁺). Da un punto di vista funzionale, gli acidi teicoici fungono da adesine cioè contribuiscono alla capacità della cellula di aderire su superfici viventi o no; inoltre fungono da batteriofagi che riconoscono e si legano al batterio attraverso un recettore. Stimolano inoltre il sistema immunitario perché fortemente antigenici. Accanto all'acido teicoico, nella struttura gram + vi è una molecola affine, gli acidi lipoteicoici. La differenza tra acido teicoico e lipoteicoico sta nel fatto che il secondo contiene un acido grasso. L'acido lipoteicoico interagisce con i fosfolipidi e contribuisce ad ancorare la parete dei Gram + alla membrana plasmatica della cellula batterica. Svolgono quindi la stessa funzione di adesine, sono antigeni e quindi svolgono funzione immunologica e quando prodotti in eccesso e rilasciati nell'ambiente hanno funzione endotossinica. Oltre al peptidoglicano, agli acidi teicoici e gli acidi lipoteicoici, la parete dei Gram + è costituita da una componente proteica (es. proteina M negli streptococchi e proteina A negli stafilococchi), e per concludere da una componente di carboidrati (es. carboidrato C utilizzato per la classificazione degli streptococchi).

Peculiarità dei gram +

• È in grado di legare grandi quantità di cationi soprattutto di cationi di valenza, calcio