Microbiologia

Microbiologia

Indice degli argomenti

Cellula microbica, interazioni tra le specie, cellula batterica, metabolismo

batterico, terreni di coltura, Stafilococchi, Streptococchi, Enterococchi,

Neisseriaceae, Haemophilus, Bordetella, Legionella, Brucella,

Enterobacteriaceae, Pseudomonas, batteri non fermentanti, Micobatteri,

Corynebacterium, Listeria, Vibrio, Campylobacter, Helicobacter, Bacilli,

Spirochete, Mycoplasma, Chlamidia, Rickettsia, Erlichia, Coxiella, Poxvirus,

Herpersviridae, Adenovirus, Epatite, Parvoviridae, Papillomaviridae,

Ortomyxoviridae, Paramyxoviridae, Coronavirus, Rhabdovirus, Reovirus,

Picornaeviridae, Arenavirus, Filovirus,Bunyavirus, Togaviridae, Flaviviridae,

Retrovirus, Prioni, Parassiti umani di interesse medico.

Cellula microbica

Quando si parla di cellula microbica e di microrganismi, ci si riferisce a un insieme

estremamente eterogeneo di organismi microscopici che comprendono batteri, archea, funghi

microscopici, protozoi, alghe unicellulari e anche entità acellulari come i virus.

La cellula microbica rappresenta l’unità strutturale e funzionale dei microrganismi cellulari e, in

base alla loro organizzazione, distinguiamo due grandi gruppi:

• Procarioti, come batteri e archea, caratterizzati dall’assenza di un nucleo vero e

proprio e di organuli delimitati da membrana.

• Eucarioti, come funghi, protozoi e alghe unicellulari, che possiedono un nucleo e

organuli citoplasmatici complessi.

I virus, invece, non sono cellule, ma entità biologiche acellulari costituite da un genoma di DNA

o RNA racchiuso in un capside proteico, talvolta rivestito da un envelope. Essi sono parassiti

intracellulari obbligati, poiché necessitano della cellula ospite per replicarsi. I microrganismi

rappresentano un’essenziale fonte di nutrienti alla base di tutte le catene alimentari ed una

risorsa alimentare potenziale per uomo e animali, permettono inoltre i processi digestivi degli

erbivori.

I microrganismi sono organismi ubiquitari, presenti praticamente ovunque: nel suolo, nelle

acque, nell’atmosfera e all’interno di tutti gli esseri viventi. Essi svolgono un ruolo essenziale

negli ecosistemi, poiché:

• rappresentano la base delle catene alimentari,

• partecipano alla decomposizione della materia organica,

• regolano i grandi cicli biogeochimici del carbonio, dell’azoto e dello zolfo.

Alcuni microrganismi, in particolare molte archea, sono capaci di vivere in condizioni estreme

(alte temperature, elevata salinità, pH estremi) e vengono definiti estremofili.

In natura, i microrganismi non vivono isolati, ma organizzati in comunità complesse chiamate

microbiocenosi, spesso associate a substrati organici in decomposizione: in questo caso

parliamo di microrganismi saprofiti.

Da un lato, molti microrganismi sono patogeni e responsabili di malattie infettive; dall’altro,

una grande parte è benefica. Il microbiota umano, ad esempio, svolge funzioni essenziali nella

digestione, nella sintesi di vitamine, nella protezione contro patogeni e nella modulazione del

sistema immunitario. Inoltre, i microrganismi sono utilizzati in ambito industriale, alimentare e

biotecnologico, come nella produzione di antibiotici, vaccini, enzimi, alimenti fermentati e nella

biotecnologia molecolare.

I microrganismi sono classificabili come patogeni obbligati o convenzionali.

l concetto di patogenicità, nella microbiologia moderna, non può più essere interpretato in

termini assoluti, come una proprietà esclusiva di alcuni microrganismi “patogeni” in senso

stretto. Al contrario, esso deve essere considerato all’interno di un continuum, poiché anche

microrganismi normalmente commensali, appartenenti alla flora residente dell’organismo

umano, possiedono un potenziale patogeno latente. In condizioni fisiologiche, tali

microrganismi instaurano con l’ospite un rapporto di equilibrio dinamico, contribuendo al

mantenimento dell’omeostasi mucosale, esercitando un effetto di colonization resistance nei

confronti di agenti esogeni e partecipando alla modulazione della risposta immunitaria.

Tuttavia, qualora intervengano alterazioni delle barriere anatomiche, squilibri del microbiota o

condizioni di immunodepressione, questi stessi microrganismi possono trasformarsi in agenti

eziologici di infezioni. In tale contesto si parla di patogeni opportunisti o condizionali, ossia

organismi la cui capacità di indurre malattia è subordinata a specifiche circostanze

predisponenti dell’ospite. Ne consegue che la patogenicità non è esclusivamente una

caratteristica intrinseca del microrganismo, ma il risultato dell’interazione complessa tra fattori

di virulenza microbica, stato immunologico dell’ospite e contesto ecologico in cui avviene la

colonizzazione o l’invasione. Pertanto, anche la flora commensale, pur essendo normalmente

innocua, può assumere rilevanza clinica in presenza di condizioni favorevoli allo sviluppo di un

processo infettivo. Le scoperte in campo microbiologico hanno avuto un impatto enorme sulla

medicina e sulla scienza. Tra le più importanti ricordiamo la formulazione della teoria germinale

delle malattie da parte di Pasteur e Koch, che ha dimostrato il ruolo dei microrganismi come

agenti eziologici delle infezioni. Koch ha inoltre stabilito i famosi postulati per correlare un

microrganismo a una specifica malattia. L’introduzione delle tecniche di sterilizzazione,

dell’asepsi, degli antibiotici e dei vaccini ha rivoluzionato la pratica medica e aumentato

drasticamente l’aspettativa di vita.

Infine, la classificazione generale dei microrganismi si basa su criteri morfologici, fisiologici,

biochimici e genetici. Attualmente si utilizza una classificazione filogenetica basata sull’analisi

delle sequenze di RNA ribosomiale, che distingue tre domini: Bacteria, Archaea ed Eukarya.

All’interno di questi domini si collocano i diversi gruppi microbici, mentre i virus rimangono

esclusi dai sistemi di classificazione biologica tradizionali a causa della loro natura acellulare.

In conclusione, i microrganismi rappresentano una componente fondamentale della biosfera,

con un ruolo cruciale sia negli ecosistemi naturali sia nella salute e nella malattia dell’uomo.

Interazioni tra le specie

La presenza dei microrganismi influenza sia direttamente che indirettamente le forme di vita

più complesse. Esistono inoltre varie tipologie di interazioni tra le specie: mutualismo,

sintrofismo, commensalismo, parassitismo, antagonismo, competizione.

Le complesse interazioni che caratterizzano le associazioni biologiche tra due o più organismi

differenti si definiscono simbiosi. Le interazioni tra i simbionti possono essere classificate in tre

categorie con un’ampia varietà di sfumature e possibili passaggi dall’una all’altra: mutualismo,

commensalismo e parassitismo.

- Nelle simbiosi mutualistiche i componenti dell’associazione dovrebbero trarre benefici

dalla loro unione in una situazione che gli avvantaggia rispetto alla vita come singola

specie

- Nel commensalismo invece, un componente trae beneficio mentre l’altro non dovrebbe

essere danneggiato, un esempio è la flora microbica normale nell’uomo

- Il parassitismo è rappresentato da un’interazione tra un parassita ed un ospite che viene

danneggiato in misura variabile

Molti microrganismi instaurano rapporti con l’uomo formando ecosistemi complessi chiamati

microbiota.

La colonizzazione inizia subito dopo la nascita (non è corretto dire che il neonato sia

completamente sterile, perché oggi sappiamo che può esserci una colonizzazione già

perinatale).

I vantaggi per l’ospite includono:

• sintesi di vitamine (es. vitamina K e gruppo B)

• effetto barriera contro patogeni esogeni

• produzione di sostanze antimicrobiche

• stimolazione del sistema immunitario, in particolare del tessuto linfatico

associato alle mucose (MALT)

In condizioni normali, l’ospite sano sviluppa malattia solo se esposto a microrganismi dotati di

elevata patogenicità e virulenza. La popolazione microbica normale trova un ambiente

favorevole, ricco di nutrienti con condizioni chimico-fisiche e stabili e protettivo sia per le

condizioni offerte dall’ospite che per le interazioni tra le diverse componenti microbiche.

Esistono ovviamente vantaggi anche per l’ospite che li tollera:

-la popolazione microbica normale sintetizza e secerne vitamine in eccesso, assorbita

dall’ospite

-la popolazione microbica normale svolge un effetto protettivo dell’effetto barriera perché

proviene la colonizzazione da parte di patogeni esogeni.

-la flora normale antagonizza altri batteri, producendo sostanze che inibiscono o uccidono

specie non indigene

-la flora normale stimola lo sviluppo di certi tessuti come il tessuto linfatico associato alle

mucose e in particolare nell’intestino a livello delle placche di Peyer

-la popolazione microbica normale induce una risposta immunitaria soprattutto anticorpo

mediata, e sono anticorpi definiti naturali assenti negli animali germ-free

In un organismo umano, dotato di difese integre è funzionanti, il cosiddetto ospite normale,

sono capaci di provocare malattia solo gli agenti esogeni patogeni e virulenti.

Il ruolo di un microrganismo patogeno veniva attribuito agli agenti biologici che soddisfacevano

i postulati di Koch:

1. Il presunto agente Responsabile di una data malattia deve essere presente in tutti i casi

riscontrati di quella malattia

2. Deve essere possibile isolare il microrganismo dell’ospite malato e farlo crescere in

cultura pura

3. Ogni volta che è una cultura pura dei microrganismi, viene inoculato in un ospite sano si

riproduce la malattia

4. Il microrganismo deve poter essere isolato nuovamente dall’ospite infettato

sperimentalmente

L’interesse dell’uomo verso i microrganismi è nato con la scoperta del loro coinvolgimento nelle

malattie infettive e si è focalizzato su quelli definiti patogeni. Con il tempo si è reso evidente

che la suddivisione in patogeni e non patogeni è inadeguata, perché l’incontro con un

microrganismo, anche se esso è definibile come patogeno, non sempre equivale all’insorgere

della malattia, la cui gravità ed esito sono il risultato del complesso e dinamico rapporto che si

stabilisce tra microbo e uomo.

Il mondo microbico è l’insieme delle forme di vita dotate di due caratteristiche importanti, la

prima rappresentata dalle dimensioni microscopiche e la seconda dall’ enorme diversità

biologica che ne consente la presenza in ogni ambiente compresi gli altri esseri viventi.

La sopravvivenza dei microrganismi in natura dipende da tre fondamentali fattori strettamente

interconnessi: la disponibilità di sostanze nutritive, la possibilità di riprodursi e la capacità di

disporre dei meccanismi in grado di garantire la protezione della specie.

La colonizzazione di superfici inerti e di esseri viventi non ha solo lo scopo di utilizzarne le

sostanze nutritive ma anche quello di mettere in atto meccanismi di sopravvivenza e difesa. I

microbi si adattano velocemente alle modificazioni dell’ambiente in cui vivono e sviluppano

strategie di sopravvivenza che garantiscono nuove possibilità di diffusione e adattamento.

In natura, le popolazioni microbiche costituiscono delle microbiocenosi nelle quali la vita degli

organismi unicellulari è caratterizzato dalla formazione di comunità in cui sono presenti più

specie: una singola cellula si troverebbe inevitabilmente in pericolo. Il materiale organico in

decomposizione costituisce il substrato di crescita della maggior parte dei microrganismi

presenti in struttura e questi organismi vengono detti saprofiti.

Il rapporto con i mammiferi può essere occasionali per alcuni microrganismi che vivono

nell’ambiente, pertanto si definiscono parassiti facoltativi, quando si trasforma in una relazione

necessaria per microrganismi, si definiscono parassiti obbligati.

La migliore strategia di un parassita obbligato è quella di non provocare morte o gravi danni in

modo che il contatto con un altro ospite possa assicurare la sopravvivenza della specie: I

parassiti di successo provocano pertanto o malattie acute, lievi o malattie croniche.

La malattia infettiva o da infezione è una malattia trasmissibile da una sorgente a individui

sensibili, secondo una serie di tappe comprese nella catena di trasmissione. Nel caso di

infezioni esogene, l’ospite è esposto al contatto con un unico corpo proveniente da un

ambiente esterno detta sorgente o fonte, che a loro volta possono derivare da un serbatoio. Il

serbatoio è l’ambiente in cui i microrganismi si moltiplicano perpetuandosi come specie. Gli

individui della specie umana sono per l’uomo la sorgente naturale più importante di agenti

infettanti, sono i portatori. Il portatore è la fonte di infezione della gran parte dei casi perché

ospita microrganismi e gli elimina all’esterno ne abbiamo diversi tipi: in incubazione, che

svilupperà la malattia, il portatore convalescente, un malato in via di guarigione, il portatore

sano o asintomatico con un’infezione che si esaurisce a livello subclinico, il portatore cronico o

intermittente, che pur non presentando i sintomi di una malattia, non riesce ad eliminare

completamente la gente infettivo.

Quando la sorgente degli agenti patogeni nell’uomo, la malattia si definisce contagiosa o a

circolazione interumana o a trasmissione orizzontale, la trasmissione orizzontale indica il

passaggio dei microrganismi da madre a feto o neonato.

Non necessariamente una malattia infettiva e contagiosa, ma si definisce da infezione, la

trasmissione interumano non si verifica se è la fuoriuscita dell’ospite uomo non avviene e nel

caso in cui la patogenesi è sostenuta esclusivamente da tossine.

L’evoluzione dell’esposizione ad un agente di malattia è determinata da una complessa

interazione tra diversi fattori:

1. La sensibilità dell’ospite uomo che dispone di tre livelli di difesa per controllare

l’infezione: i meccanismi di difesa aspecifici, l’immunità naturale e l’immunità acquisita

2. I fattori di virulenza e patogenicità che caratterizzano l’agente infettivo

3. Le modalità di trasmissione, la quantità minima necessaria è la dose infettante la cui

entità dipende dal microrganismo, dalla quantità presente nella sorgente e della

modalità di diffusione della sorgente stessa

Le vie di trasmissione sono penetrazione e diffusione: la via diretta implica l’interazione stretta

tra sorgente ed ospite avviene per contatto con cute, mucose, secreti ed escreti di uomo e

animali. Essa è caratteristica dei microrganismi che non sono in grado di resistere a lungo al di

fuori del serbatoio di infezione possono essere trasmessi per contatto diretto con secreti ed

escreti, per via aerea, per via parentale attraverso morsi o punture di animali o vettori ed

oggetti acuminati come aghi, cateteri o strumenti medici. La via indiretta si verifica attraverso

intermediari in genere inanimati, detti veicoli oppure intermediari animati detti vettori.

Abbiamo varie vie di trasmissione: gastrointestinale, digerente, aerea, respiratoria o inalatoria,

parentale, sessuale.

La reattività o sensibilità ad un’infezione ed il loro contrario la resistenza, dipendono non solo

dalle caratteristiche della gente infettante ma anche di quelle Isto anatomiche, fisiologiche e

genetiche dell’ospite e dal suo stato di salute. Possono essere legate alla specie, alla razza o a

gruppi di individui, e all’individuo.

L’infezione non è un evento istantaneo, perché il suo inizio coincide con l’arrivo della gente

infettante sulle superfici dell’ospite e sulle mucose che tappezzano le cavità interne in

comunicazione con l’esterno ed in particolare il momento dell’infezione è il momento di

interazione dinamica, in cui il microrganismo deve riconoscere il complesso ambiente fisico e

chimico dell’ospite e reagire attraverso l’espressione di appropriati geni che consentono di

avviare la colonizzazione e contemporaneamente eludere le difese dell’ospite.

Molti microrganismi sfruttano l’ambiente dell’ospite a livello delle superfici raggiunte al

momento della trasmissione e altri diffondono ad aree specifiche con condizioni più favorevoli,

raggiungibile attraverso vie anatomiche. La maggior parte rimane sulle superfici ma i virus ed

alcuni patogeni penetrano nelle cellule degli epiteli di rivestimento coinvolgendo anche la

sottomucosa.

Si definiscono acute le infezioni che si esauriscono in breve tempo, vengono eliminati per

intervento delle difese immunitarie senza sintomatologia clinica e l’infezione viene definita

sintomatica. In una piccola quota delle infezioni acute, i microrganismi travolgono ogni difesa e

causano danni fino ad arrivare alla morte.

Nelle infezioni acute sintomatiche si definiscono varie fasi:

-un periodo di latenza dei sintomi corrispondenti al periodo di incubazione in cui si verifica la

moltiplicazione

-una fase prodromica con sintomi di sofferenza non caratteristici

-la malattia con sintomi conclamati

-la convalescenza in cui si verifica la remissione dei sintomi ed una progressiva diminuzione

della crescita microbica

-la guarigione che corrisponde all’eliminazione completa del patogeno

Le malattie acute hanno un periodo limitato di contagiosità e se sopravvive, l’ospite acquisisce

un’immunità che previene la reinfezione. Nelle infezioni croniche o persistenti, alcuni microbi

ma anche batteri e protozoi riescono a mantenere per lunghi tempi il rapporto parassitario, in

quanto capace di stimolare una bassa risposta con strategie di tipo diverso. Le infezioni

croniche persistenti come la lebbra, la tubercolosi, la malaria, sono caratterizzate oltre che

dalla permanenza del parassita che elude la risposta immunitaria, dalla persistenza in piccole

isolate popolazioni, dall’impossibilità di effettuare programmi di vaccinazione basati

sull’immunità di gruppo. Tipiche di alcuni virus sono le infezioni latente in cui la presenza

dell’agente infettivo, non è dimostrabile per lunghi periodi.

La moltiplicazione è un evento essenziale nel ciclo vitale del microrganismo per consentire il

passaggio ad un nuovo ospite. L’ultimo determinante del successo di un patogeno è la capacità

di abbandonare l’ospite per penetrarne in un altro o trasferirsi in un serbatoio, mediante le feci,

l’urina, goccioline di saliva. Il danno all’ospite non è sempre necessario, il tipo di lesione

dipende tanto dalle caratteristiche del microrganismo quanto dalla risposta dell’ospite,

immunopatogenesi. L’esito dell’infezione sarà determinato dal sopravvento dell’ospite con la

guarigione o del microrganismo.

Le più frequenti malattie infettive sono sostenute dai patogeni condizionali o opportunisti che

approfittano di un’occasione offerta da un deficit delle difese dell’ospite, mentre pochi sono i

patogeni convenzionali sempre associati alla manifestazione della malattia anche in soggetti

sani immunocompetenti.

Le malattie non infettive sono attualmente responsabili del maggior numero di morti, secondo

la War Earth organization in un articolo del 2004, sette maggiori malattie per numero di morti

sono le infezioni respiratorie acute, le malattie gastroenteriche, l’HIV, la tubercolosi, la malaria,

le malattie dell’età evolutiva e le malattie tropicali.

I protisti

Il regno dei protesti include organismi fotosintetici e non. Tutti i protesti sono per definizione

unicellulari o di forma cenocitica. Presentano caratteristiche comuni derivando tutte

dall’evoluzione di un tenuto comune. E si deve a Roger Steiner, la suddivisione del regno dei

protisti, in eucarioti e procarioti.

Eucarioti Batteri Archea

Nucleo Provvisto di Assenza di membrana Assenza di membrana

membrana

Numero cromosomi Due o più 1 1

DNA Legato ad istoni Legato a poliamine Legato ad istoni

Mitosi Sì No No

Parete Assente, se Contiene sempre Contiene sempre

presente contiene mureina mureina

Mureina

Mitocondri Si No No

Reticolo Si No No

endoplasmatico

Lisosomi Si No No

Steroidi nel Si No No

plasmalemma

Ribosomi 80S 70S 70S

Plasmidi Rari Si Si

Enzimi respiratori Nei mitocondri Sulla faccia interna Sulla faccia interna

della membrana della membrana

citoplasmatica citoplasmatica

Aminoacidi No Si Si

destrogiri

Acido No Si Si

diaminopimelico

Mesosomi No Si nei gram+

Cloroplasti Sì No No

Flagelli Nove fibrille Tre fibrille unite Tre fibrille unite

periferiche, due

centrali

Fosforilazione Nei mitocondri Sulla faccia interna Sulla faccia interna

ossidativa della membrana della membrana

citoplasmatica citoplasmatica

I procarioti

I procarioti presentano il materiale nucleare costituito da un unico cromosoma, sprovvisto di

membrana e ne fanno parte i batteri, le alghe blu verdi e gli archea. Si tratta di organismi

autotrofi che vivono in ambienti estremi e possono essere alofili, metanogeni, ipermofili.

Gli eucarioti

Gli eucarioti, pur essendo unicellulari, posseggono strutture ed organuli fondamentalmente

riportabili a quelli delle cellule superiori, sono dotati di nucleo con due o più cromosomi e

presentano organelli intra citoplasmatici oppure parti particolari. Fanno parte di questa

categoria: alghe, protozoi, funghi, muffe, mucose e licheni.

Cellula batterica

I batteri sono organismi unicellulari e rappresentano gli organismi più piccoli in grado di

autoreplicarsi. Nella cellula batterica le relazioni struttura-funzione sono molto strette,

costituisce un organismo autonomo che deve essere in grado di provvedere a tutte le

necessità. Le dimensioni sono rilette anche se variano da specie a specie.

Base alla forma, possiamo classificare i batteri in:

-cocchi: con forma sferica

-bacilli: con forma cilindrata

-coccobacilli: conforma variabile da tonda ad ovalare e allungata

-vibrioni: bastoncelli ricurvi su un solo piano

-spirilli o spirochete: ricurvi su più piani

La cellula batterica è costituita da strutture obbligatorie, cioè nucleoide, citoplasma, membrana

citoplasmatica, meso somi, parete cellulare e strutture facoltative: strato mucoso, capsula o

glicocalice, ciglia o flagelli, pili e fimbrie.

Nucleoide: il materiale genetico è costituito da un solo cromo