Appunti Microbiologia

Microbiologia

Microbiologia → scienza che studia i microrganismi e la loro attività.

Caratteristiche dei sistemi viventi

• Metabolismo
• Ogni organismo è un sistema aperto che cede e riceve sostanze
• Riproduzione e accrescimento
• Differenziazione
• Comunicazione tramite interazioni tra cellule grazie allo scambio di molecole
• Possibilità di movimento (es. i flagelli nei batteri)
• Si possono evolvere

Classificazione dei microrganismi

• Funghi
• Archea
• Microalghe
• Batteri
• Protozoi

Esistono due tipi di cellule microbiche:

• Cellula procariota (no membrana cellulare)
• Cellula eucariota (nucleo delimitato da membrana cellulare)

I virus sono particelle di dimensioni microscopiche senza capacità di moltiplicarsi in proprio. Sono parassiti intracellulari obbligati.

Procarioti

I procarioti sono cellule più piccole rispetto agli eucarioti e sono responsabili di numerose proprietà biologiche. Hanno una velocità variabile dei processi che è in funzione della superficie rispetto al volume, in quanto aumenta la quantità di scambio con l'ambiente. Hanno un rapporto elevato superficie/volume esterno.

Origine dei microrganismi

Esperimento di Pasteur → usa una fiasca a collo di cigno per dimostrare che il liquido sterile rimane tale finché non viene contaminato.

Whittaker, nel 1959, classificò gli organismi in cinque regni: Monera, Protisti, Funghi, Piante e Animali.

Woese, nel 1990, riclassificò gli organismi in tre grandi ordini: Batteri, Archea ed Eucarioti.

Classificazione filogenetica

→ studio delle relazioni evolutive tra specie diverse. Per farlo si usano gli alberi filogenetici. Il grado di relazione evolutiva è ottenuto da analisi comparate tra le sequenze di rRNA. Le molecole di RNA ribosomiale hanno subito modificazioni molto lente durante l'evoluzione e sono conservate. Queste modificazioni servono per individuare le relazioni filogenetiche.

Esempi di microrganismi

• Lieviti → funghi unicellulari che svolgono processi di fermentazione.
• Cianobatteri → microrganismi procarioti fotosintetici. Trasformano l'energia luminosa in energia chimica e rilasciano ossigeno cambiando le condizioni dell'atmosfera e instaurando i processi aerobi.
• Mitocondri e cloroplasti → cellule procariote inglobate da un'altra cellula (endosimbiosi).

Struttura cellulare

Cellula procariota

→ organismi unicellulari con cellule prive di nucleo e con il DNA disperso nel citoplasma, inoltre, mancano di alcuni organuli importanti presenti invece negli eucarioti (es. mitocondri e R.E). Il suo genoma è più semplice ed è costituito da una sola molecola circolare di DNA.

Capsula microbica

Struttura esterna non per forza presente in tutti i microrganismi. Di natura polisaccaridica, non è una struttura essenziale, infatti, non viene sempre prodotta. Ha uno spessore variabile e può essere definita o lassa, rilasciando polisaccaridi nell'ambiente. Trattando l'organismo con inchiostro di china si può mettere in evidenza perché l'inchiostro colorato non riesce a penetrare nelle cellule che possiedono la capsula.

• Protezione da composti tossici
• Evita essiccamento della cellula
• Permette l'adesione alle superfici
• In alcuni casi è un fattore di virulenza in quanto proteggono la cellula dalla fagocitosi

Strato S

Struttura formata da glicoproteine che formano una rete proteica con dei pori che svolgono la funzione di filtro molecolare.

• Protezione da batteriofagi, variazioni di pH
• Permette l'adesione

Parete cellulare

La parete cellulare si divide in quella:

• Degli archea
• Dei batteri che a loro volta si dividono in Gram-positivi e Gram-negativi

Lo scopo è quello di conferire sostegno alla cellula e protezione da fattori esterni come danni di tipo meccanico e osmotico. È composta da peptidoglicano, una struttura complessa polimerica chiamata mureina → composta da N-acetilglucosamina (monosaccaride con 8C e un gruppo amminico) + acido acetilmuranico (monosaccaride che deriva da N-acetilglucosammina + acido lattico) con un legame 1,4-b-glicosidico formando una struttura a rete.

Nei batteri gram-negativi si forma un legame diretto con l'acido diaminopimerico. La presenza di Mureina è limitata e si ha la formazione di una seconda membrana detta membrana esterna costituita da un doppio strato fosfolipidico e selettivamente permeabile con funzione di scambio. Nei batteri gram-positivi non si ha l'acido DAP ma si ha la L-lisina che non forma un legame diretto ma un legame a ponte. In questo caso la parete è formata prevalentemente da Mureina.

La cellula talvolta può andare incontro a stress osmotico → l'osmosi si ha con 2 ambienti divisi da una membrana semipermeabile (membrana citoplasmatica) e che hanno una determinata concentrazione di soluti. Si possono avere tre casi:

• Concentrazioni uguali → la parete cellulare non ha ruolo
• Conc. interna cellula > conc. in acqua → si ha la lisi osmotica con l'acqua che entra all'interno della cellula e la membrana si espande fino a rompersi. La parete in questo caso contiene la cellula per cui l'afflusso di acqua è limitato.
• Conc. interna cellula < conc. in acqua → la cellula rischia l'essiccamento

Colorazione di Gram → utilizzo di coloranti che penetrano all'interno delle cellule facendogli assumere quel colore. Successivamente si ha un trattamento con iodio e poi una decolorazione. A questo punto nei Gram - la colorazione non è trattenuta per cui si decolorano; nei Gram + la colorazione è mantenuta. Come ultimo passaggio si fa un'ulteriore colorazione contrasta dove i Gram - assumono una colorazione diversa rispetto agli altri.

Non tutti i batteri hanno la parete cellulare come, ad esempio, nei Mollicutes cioè i Micoplasmi, organismi endofiti (vivono all'interno di altri organismi).

Parete cellulare archea

→ non hanno l'Acido Acetilmuranico ma hanno l'acido talosaminuronico e il polimero di cui è formata è una pseudo-mureina.

Membrana citoplasmatica

È formata da un doppio strato fosfolipidico, idrofilo all'esterno e idrofobico all'interno. È una membrana semipermeabile selettiva ed è la sede dei processi metabolici nei procarioti per la fosforilazione, la catena di trasporto di elettroni e la fotosintesi. Ogni sostanza (eccetto acqua e gas) per poterla attraversare deve essere trasportata da sistemi specifici. Deve essere fluida per garantire il trasporto delle molecole e la deformazione dei trasportatori. La temperatura incide su questa fluidità (quando scendono si ha l'irrigidimento della membrana).

Funzioni principali sono tre:

• Barriera permeabile
• Sito ancoraggio per le proteine di trasporto e di elettroni
• Conserva energia dei protoni

Sistemi di trasporto passivo

Sono due i principali:

• Acquaporine → permettono il passaggio di acqua da dove si ha una minore concentrazione a dove si ha una maggiore concentrazione di soluti.
• Canali ionici → permettono il passaggio di ioni come Na o K da dove si ha una maggiore concentrazione a dove si ha una minore concentrazione.

Sistemi di trasporto attivo

Consumano ATP e sono tre i principali:

• Sistema ABC → coinvolge le proteine e l'ATP
• Trasporto semplice → associata alla forza protomotrice
• Traslocazione → si ha una modificazione chimica della sostanza trasportata e regolata dal fosfoenolpiruvato (PEP).

Esempi: sodio-protone antiporto; fosfato simporto, ecc.

Citoplasma

Si trova all'interno della membrana. Diviso in due zone:

• Area citoplasmatica → dove si trovano le sostanze di riserva e i prodotti del metabolismo. Sono presenti anche i ribosomi che però sono liberi costituiti da RNA e proteine.
• Area nucleare → dove si trova il cromosoma batterico. Composta da una sola molecola di DNA avvolta su sé stessa. In questa area si possono trovare anche i plasmidi.

Non si hanno cloroplasti, mitocondri e vacuolo. Sono presenti però dei granuli di varia natura costituiti da sostanze di riserva: lipidi, polisaccaridi, zolfo (solfobatteri) e ferro (ferrobatteri). Nel citoplasma possiamo trovare i ribosomi essenziali per la sintesi proteica. Sono più piccoli rispetto a quelli degli eucarioti (70S contro gli 80S, solo alcuni sono 70S ma nei mitocondri e nei cloroplasti).

Nucleoide

Non è un nucleo ma un'area dove il cromosoma è addensato → si ha una doppia elica di DNA circolare ed è unica. Essendo questo più lungo della cellula stessa si ha una condizione di super-avvolgimento. Esistono alcuni batteri con più cromosomi altri invece hanno i cromidi. Governa la trasmissione dei caratteri nelle generazioni successive ed è la sede dell'informazione genetica che codifica per ogni funzione vitale (contrario dei plasmidi). Il numero di geni presenti in una cellula procariote va da 3.000 a 6.000 geni.

Plasmidi

Veicola informazioni non essenziali per la vitalità della cellula (es. codificano per la resistenza agli antibiotici). Costituiti da DNA a doppia elica che può replicarsi indipendentemente dalla replicazione della cellula. Possono essere scambiati tra microrganismi nei quali vanno ad integrarsi con il cromosoma influenzando la variabilità genetica.

Altri organuli che si possono trovare sono: Carbossisomi (permettono il rilascio di CO₂ utilizzato nel Ciclo di Calvin), Clorosomi (con funzioni fotosintetiche), Tilacoidi, ecc.

Endospora batterica

È una forma di resistenza che alcuni batteri possono differenziare. Solo alcuni Gram + possono farlo. La resistenza riguarda in particolare le radiazioni, le alte temperature e la mancanza di acqua. Matura nella cellula. Formazione → la cellula si divide con la formazione di una cellula più piccola. La cellula figlia è inglobata dalla generatrice ed è coperta da un'ulteriore membrana. Si forma così il protoplasto (non ha una parete) e si iniziano a trasformare le membrane con citoplasma e DNA producendo mesospores e corteccia. Adesso si incorpora il Ca e si ha la perdita di acqua. Si ha quindi la maturazione: la cellula madre va incontro a lisi e rimane la spora.

Flagelli

Il flagello è un lungo filamento che permette la mobilità cellulare. È formato da tre parti:

• Struttura basale ancorata alla parete cellulare
• Filamento costituito da una proteina avvolta a spirale detta flagellina
• Uncino, una singola proteina con funzione di connettere il filamento al corpo basale

Sono mossi da protoni e possono ruotare in senso orario o antiorario oppure avere movimenti ondulatori o propulsori. La loro funzione è quella di consentire il movimento.

Pili e fimbrie

Pili sono appendici di fissazione coinvolti nella coniugazione batterica. Simili ai pili, le fimbrie non hanno funzione nota ma si pensa siano legati all'adesione.

Metabolismo

Il metabolismo è definito come l'insieme delle reazioni di un sistema biologico. Si divide in due tipologie:

• Anabolismo → dai nutrienti si arriva a nuovi costituenti cellulari più complessi con uso di energia. È necessario per la crescita e per la moltiplicazione del microrganismo.
• Catabolismo → da nutrienti complessi si arriva alla produzione energia utilizzata per la sintesi di nuove strutture, per il movimento e il trasporto di sostanze. Durante questa fase vengono prodotti anche metaboliti intermedi usati poi nell'anabolismo e prodotti di scarto.

Nutrizione microbica

→ processo mediante il quale i microrganismi assumono tutte le sostanze necessarie alla loro crescita (aumentare il numero di cellule).

Composizione chimica della cellula batterica

• Acqua per il 70%
• Macromolecole per il 26%
• Monomeri per il 3%
• Ioni inorganici per l'1%

Macronutrienti → necessari in grandi quantità perché fanno parte di elementi strutturali o svolgono un ruolo fisiologico (P, S, K, Ca, Na, …).

Micronutrienti → necessari in piccole quantità perché fanno parte degli enzimi (Cu, Mn, Zn, …).

Fattori di crescita → composti organici necessari in piccole quantità per la crescita di microrganismi che non sono più in grado di sintetizzarli: amminoacidi, vitamine, inositolo e acidi grassi. I microrganismi auxotrofi necessitano dei fattori di crescita. I microrganismi prototrofi non li usano ma sintetizzano la sostanza organica in modo autonomo senza bisogno di trovarli nell'ambiente.

Fonte di energia degli organismi

In base alla loro fonte di energia, gli organismi possono essere divisi in:

• Chemiotrofi → producono energia usando l'ossidazione di composti chimici. Se i composti sono organici parliamo di organismi chemoorganotrofi (animali); se i composti sono inorganici parliamo di organismi chemiolitotrofi (batteri nitrificanti).
• Fototrofi → usano la luce per produrre la loro energia. Ne fanno parte le microalghe verdi, cianobatteri, batteri rossi e verdi. La fotosintesi svolta si può distinguere in ossigenica (produce O₂) e anossigenica (non produce O₂).

Fonte di carbonio degli organismi

In base alla loro fonte di carbonio, gli organismi si possono dividere in:

• Autotrofi → utilizzano come fonte di carbonio il carbonio inorganico
• Eterotrofi → utilizzano come fonte di carbonio il carbonio organico

Le combinazioni che si possono avere riguardanti l'acquisizione di energia e di carbonio formano microrganismi:

• Fotoautotrofi → luce + CO₂ come i cianobatteri
• Fotoeterotrofi → luce + C organico come i batteri rossi
• Chemiolitoautotrofi → ossidazione da composti inorganici + CO₂ come i batteri nitrificanti
• Chemoorganotrofi eterotrofi → ossidazione da composti organici + C organico

Metabolismo energetico

Il metabolismo energetico si basa su ossido-riduzioni: reazioni chimiche che comportano un trasporto di elettroni. Si avranno sempre:

• Ossidazione → donazione di elettroni da parte dell'agente riducente (che si ossida)
• Riduzione → accettazione di elettroni da parte dell'agente ossidante (che si riduce)

Il trasporto di elettroni comprende un donatore ed un accettore, in una reazione cellulare vengono coinvolti anche degli intermedi che possono essere liberamente diffusibili (NAD) o fissi nella catena di trasporto (coenzima Q, citocromi) sulla membrana citoplasmatica.

Il guadagno netto di energia nella reazione è dato dal “salto elettronico” che si ha tra la reazione di partenza e quella terminale. Maggiore sarà il salto, maggiore sarà l'energia (differenza di potenziali di riduzione).

Durante le reazioni quando il NAD viene ridotto diventa NADH. Questa forma non si può mantenere all'interno di una cellula aerobia in quanto causa la morte. Il NADH deve essere sempre riossidato. Nel caso di una cellula anaerobia si ha il processo di fermentazione che permette al NADH di tornare NAD.

L'energia rilasciata nelle reazioni non viene persa ma conservata tramite la formazione di composti con legami fosfato ad alta energia: ATP. Quando questi legami vengono rotti si sprigiona energia. L'ATP è prodotta durante la fase di fosforilazione di tre processi metabolici:

• Respirazione (aerobica e anaerobica)
• Fermentazione
• Fotosintesi (ossigenica (microalghe, cianobatteri) o anossigenica)

Respirazione

Glicolisi e via del pentoso fosfato

Primo processo della respirazione è la glicolisi dove partendo da una molecola di glucosio si vanno a formare 2 molecole di piruvato, 2 ATP, 2 NADH. L'enzima fondamentale dell'intero processo è l'aldolasi che porta alla formazione della gliceraldeide-3-fosfato per formare poi piruvato.

In assenza dell'aldolasi, il glucosio-6-fosfato entra all'interno della via del pentoso fosfato che ha come prodotto finale il ribulosio-5-fosfato, una molecola a 5 atomi di C. Nei microrganismi che usano il gluconato come substrato, un'altra strada che può prendere il glucosio-6-fosfato è la via di Entner-Doudoroff dove si ha la produzione di 2 molecole di piruvato, 1 di NADPH, 1 di NADH e 1 di ATP.

Il piruvato serve per riossidare il NADH in NAD e può subire tre trasformazioni diverse:

1. Deidrogenato → grazie alla piruvato deidrogenasi si ha la formazione di acetil Co-A, substrato necessario per il ciclo di Krebs. Più si formano NADH e CO₂. (Organismi aerobici).
2. La piruvato ferrodossina ossidoriduttasi va a produrre acetil Co-A, 2 FADH e CO₂. (Organismi anaerobici)
3. La piruvato liasi va a produrre acetil Co-A e formiato. (Organismi anaerobici).

Ciclo di Krebs

Segue la glicolisi ed ha come substrato principale l'acetil Co-A che si lega all'ossalacetato. Per ogni ciclo si ha la produzione di 3 NADH durante ogni reazione di ossido-riduzione, 1 FADH, CO₂ e 1 ATP.

Fosforilazione ossidativa

Per completare la respirazione si ha l'ultimo processo che è la fosforilazione ossidativa. Tale processo ha la funzione principale di andare a produrre ATP. È composto da una catena di trasporto di elettroni e da una pompa protonica per la sintesi di ATP, l'ATP sintetasi. La catena di trasporto è composta da: complesso 1 (dove si trova il NADH), complesso 2, coenzima Q, complesso 3, citocromo C e complesso 4 con ultimo accettore finale l'ossigeno. Gli elettroni si spostano lungo questa catena posta sulla membrana citoplasmatica creando un gradiente protonico che fa ruotare l'ATP sintetasi per riequilibrare le cariche e portando alla formazione di ATP.

Bilancio energetico dell'ossidazione completa del glucosio:

• Per ogni NADH ho 3 ATP
• Per ogni FADH ho 2 ATP