Microbiologia

Biologia dei Microrganismi

Introduzione alla Microbiologia

La Microbiologia è il ramo delle scienze biologiche che si occupa dello

studio dei microrganismi, organismi viventi di dimensioni inferiori al

micron, la cui osservazione richiede necessariamente l'utilizzo

del microscopio ottico.

Sulla base di caratteristiche morfologiche, strutturali, genotipiche e

fenotipiche, i microrganismi vengono suddivisi in:

• Eucarioti: protozoi, funghi microscopici e maggior parte delle alghe.

• Procarioti: batteri e alcune alghe unicellulari

(es. i cianobatteri, come la Spirulina).

• Virus: entità biologiche

Storia ed Evoluzione della Microbiologia

Iniziata quando l'uomo ha acquisito la capacità di visualizzare ciò che prima era invisibile:

• Antonie van Leeuwenhoek: mercante di stoffe,

fu il primo a osservare i batteri e a inviare

disegni dettagliati alla British Royal Society.

• Louis Pasteur: mise fine alla disputa

sulla generazione spontanea, dimostrando che

essa non esiste e innescando un’evoluzione

della disciplina.

• eventi cardine sono la scoperta della struttura

del DNA e l'invenzione della PCR (Polymerase

Chain Reaction), che permette l'amplificazione

del materiale genetico per scopi diagnostici e

ricerca 1

La Cellula: Unità Strutturale e Funzionale

Tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule, a cui è possibile attribuire una serie di proprietà che risultano

essere essenziali per la vita di qualsiasi organismo vivente. Unità strutturali dotate di proprietà essenziali per la vita.

Possiamo distinguere tra organismi:

- unicellulari: 1 sola cellula

- pluricellulari: + cellule si organizzano in tessuti e organi. Sebbene siano i più facilmente identificabili, i

microrganismi sono numericamente superiori e presentano una differenziazione immensamente più vasta.

La capacità di percepire gli stimoli ambientali è fondamentale per l’adattamento: la cellula modifica il proprio

metabolismo in risposta alle variazioni esterne; in caso contrario, il cambiamento porterebbe alla morte.

(es. un batterio nel latte, che si trasforma in yogurt deve riadattarsi alle nuove condizioni chimico-fisiche per

sopravvivere)

L'obiettivo primario dell'adattamento è l'omeostasi, ovvero il mantenimento della stabilità delle funzioni interne.

Tuttavia, la sopravvivenza della specie nel tempo, e che presenti caratteristiche genotipiche e fenotipiche è garantita

solo dalla riproduzione.

Nei batteri, la riproduzione genera due cellule figlie identiche alla cellula madre. Quindi ogni cellula deriva dalla

divisione di un’altra cellula.

Per mantenersi e riprodursi, la cellula necessita di un approvvigionamento continuo di materia ed energia. La

materia importata viene trasformata attraverso una rete ordinata di reazioni chimiche, definita metabolismo.

Le proteine sono gli esecutori materiali delle funzioni cellulari

(funzione enzimatica, strutturale, regolatrice e di trasporto);

ognuna di queste contribuisce mantenere l’omeostasi.

Il "manuale di istruzioni" per la loro sintesi è contenuto nel DNA.

La duplicazione del DNA deve essere fedele per garantire il

mantenimento delle caratteristiche della specie.

Tuttavia, lievi variazioni infedeli (mutazioni) nel corso del tempo

permettono l'evoluzione e un migliore adattamento a un

ambiente in continuo mutamento.

Poiché le risorse di materia ed energia nell'ambiente non sono

infinite, la cellula non può crescere illimitatamente. La scarsità di nutrienti innesca la competizione tra microrganismi

per lo spazio e il cibo, modificando costantemente l'ambiente circostante.

Nonostante l'enorme diversità morfologica (piante, animali, batteri), tutte le cellule funzionano in modo simile

(organizzazione cellulare simile):

• Apparato Informatico: DNA, RNA e proteine sono composti dagli stessi "mattoncini" molecolari e svolgono le

stesse funzioni in tutti i viventi.

• Energia: indipendentemente dalla fonte, le cellule utilizzano le stesse molecole energetiche

(principalmente ATP e NADPH ridotto)

La differenziazione tra i gruppi di mo. avviene a livello di altre macromolecole:

• Polisaccaridi: variano per complessità e ramificazione dei monosaccaridi, svolgendo funzioni strutturali

(parete) o di riserva

• Membrana Plasmatica: la sua struttura biochimica permette di distinguere nettamente gli Archaea da tutti gli

altri organismi. 2

Evoluzione della Classificazione Biologica

Storicamente, la distinzione tra regni si basava sulla morfologia:

1. Haeckel (1866): propose il regno dei Protista, per includere ciò che non era né pianta né animale.

2. Microscopia Elettronica (40’): evidenziò le differenze tra cellule con nucleo delimitato (Eucarioti) e cellule prive

di membrana nucleare (Procarioti).

3. Filogenesi Molecolare (Karl Woese): l'uso del DNA e della PCR ha rivoluzionato la tassonomia.

Woese utilizzò l'RNA ribosomiale - sequenza 16S come "orologio molecolare" per misurare la distanza evolutiva

Grazie a questi studi, oggi classifichiamo il mondo vivente in 3 Domini:

• Bacteria (Procarioti)

• Archaea (Procarioti con caratteristiche molecolari uniche)

• Eukarya (Piante, Animali, Funghi e Protisti) 3

La Cellula Batterica

La cellula batterica è un’entità biologica complessa organizzato in strutture sovra-molecolari:

1. Involucro: Parete cellulare, membrana plasmatica ed eventuali appendici (pili e flagelli).

2. Citoplasma (Citosol): contiene organelli

3. Nucleoide: regione che ospita il materiale genetico

Bioelementi e Macromolecole

Le macromolecole (Proteine, DNA, RNA, Fosfolipidi,

Lipopolisaccaridi, Mureina) sono costituite da elementi

fondamentali quali

• C

• H

• O

• Azoto (N): Ricavato principalmente dall'ammonio; per amminoacidi e basi azotate.

• Zolfo (S): Ricavato dal solfato, necessario per gli amminoacidi solforati.

• Fosforo (P): per acidi nucleici, fosfolipidi e lipo-polisaccaridi; coinvolto nelle reazioni per l'ottenimento di energia

e ioni essenziali:

• Potassio (K), Sodio (Na), Calcio (Ca), Ferro (Fe) e Magnesio (Mg) possono trovarsi liberi o associati a molecole

organiche; per la riproduzione e l'attività enzimatica

I microrganismi fabbricano macromolecole a partire da molecole semplici:

• 20 amminoacidi per proteine e mureina.

• nucleotidi per acidi nucleici.

• acidi grassi per lipidi.

• 30 monosaccaridi per polisaccaridi e pareti.

A partire da molecole organiche semplici sono sintetizzate le macromolecole:

• Proteine: svolgono funzioni sia strutturali che enzimatiche (catalitiche)

[i cofattori sono composti che vengono utilizzati da un enzima per catalizzare la sua reazione. Un enzima,

generalmente, ha una struttura e un sito attivo, al quale si lega un substrato che viene prima convertito e poi

rilasciato]

• RNA: localizzato nei ribosomi, citosol o nucleoide, a seconda del microrganismo e fase metabolica

• DNA

• Fosfolipidi: componenti essenziali della membrana plasmatica e membrana esterna

• Lipo-polisaccaridi: caratteristiche della membrana esterna (Gram -)

• Mureina (Peptidoglicano): polisaccaride della parete cellulare

• Glicogeno: polisaccaride semplice, come riserva di carbonio

Il metabolismo centrale trasforma zuccheri semplici (come il glucosio) per ottenere sia energia che scheletri

carboniosi (materia). Lo zucchero funge quindi da fonte duale di carbonio e energia.

Esistono eccezioni rilevanti a questo schema biochimico:

1. Alcuni organismi non sono in grado di assimilare S, N e P da fonti inorganiche (solfati, ammonio, fosfati), ma

devono ricavarli esclusivamente da molecole organiche preformate.

2. L'involucro esterno alla membrana plasmatica può essere assente o presentare una struttura chimica

radicalmente diversa tra le varie specie. 4

Metabolismo

L'energia metabolica è veicolata principalmente da:

• ATP: energia attraverso l'idrolisi dei legami fosfoanidrici.

• NADPH: trasportatore di elettroni, nelle reazioni di riduzione

Distinguiamo organismi:

• Fototrofi: ricavano energia dalla luce (es. piante, alghe, alcuni batteri e archaea)

• Chemiotrofi: ricavano energia da reazioni chimiche

o Chemio-inorganotrofi: da composti inorganici (esclusivo di Bacteria e Archaea).

o Chemio-organotrofi: da molecole organiche

Per l’approvvigionamento di C:

• Autotrofi: capaci di ridurre la CO₂ atmosferica e trasformarla in materiale organico.

Per la maggior parte sono fototrofi

• Eterotrofi: da molecole organiche preesistenti.

Per la maggior parte sono organotrofi

Per approvigionamento di N:

- utilizzano l’ammonio organicandolo

- L'azotofissazione processo esclusivo di alcuni procarioti, permette di ridurre l'azoto

gassoso (N₂) in ammonio. L'ammonio prodotto viene poi liberato nell'ambiente,

diventando disponibile per altri organismi. 5

Cellula Eucariotica vs Procariotica

La distinzione risiede nell'organizzazione interna:

Eucarioti Procarioti

Nucleo DNA racchiuso in un nucleo membrana nucleare assente,

il cromosoma è a contatto diretto

con il citoplasma nel nucleoide

Organelli organelli membranosi specializzati Assenti ribosomi

(mitocondri, reticolo

endoplasmatico, lisosomi, apparato

di Golgi, ribosomi)

Membrana plasmatica differisce per dimensioni e composizione

Moltiplicazione Si dividono per mitosi, meiosi e per scissione binaria.

zigosi, in processo più complesso Non presentano alternanza tra fasi

aploidi e diploidi

Dimensioni decine di micrometri 0,2 - 2 µm

Queste dimensioni determinano un

elevato rapporto superficie/volume

permettendo un trasporto di

nutrienti estremamente efficiente,

che aumenta la velocità di crescita,

divisione cellulare ed evoluzione

della specie rispetto alle cellule

eucariotiche. 6

Morfologia

Osserviamo batteri:

• Sferoidali (Cocchi) (più comuni)

• Bastoncellari (Bacilli) (più comuni)

• A virgola (Vibrioni).

• A spirale (Spirilli)

• Filamentose: formano lunghe catene di cellule chiamate

ife, il cui insieme costituisce un micelio (struttura simile

a quella fungina).

(es. Streptomiceti)

• Ramificate

• Peduncolate: presenza di un peduncolo, che favorisce

l’adesione a un substrato o aumenta la superficie di

scambio.

Esistono forme intermedie, come i coccobacilli (cocchi

leggermente allungati o ovali).

Dopo la divisione cellulare, i batteri possono rimanere uniti

formando aggregati celulari specifici:

• Diplococchi / Diplobacilli: coppie di due cellule

• Streptococchi / Streptobacilli: catenelle di cellule

• Tetradi: gruppi di 4 cellule, derivanti da divisione su 2

piani

• Sarcine: gruppi di 8 cellule, dalla divisione su 3 piani

• Stafilococchi: aggregati a grappolo, da divisioni irregolari

Sebbene la morfologia sia generalmente ereditaria, possono verificarsi

variazioni morfologiche intergenerazionali dettate dalla necessità di

adattamento a specifiche condizioni ambientali. 7

Parete Cellulare (

La saccuolo o parete mureinica) determina la forma del batterio e presenta differente struttura in:

Gram - (Didermi): Gram + (Monodermi):

Parete: spesso strato di peptidoglicano

+ polimeri e proteine

membrana esterna: doppio foglietto di lipidi

+ glicolipidi e proteine;

barriera selettiva contro composti tossici e per

colonizzare gli ambienti più ostili.

periplasma: spazio tra le 2 membrane Sebbene manchi di un vero spazio periplasmatico, si

+ sottile strato di peptidoglicano. definisce periplasma lo spazio immediatamente esterno

alla membrana plasmatica.

membrana citoplasmatica membrana citoplasmatica

altre strutture di rivestimento sono:

• Strato S.

• Capsula.

• Glicocalice

• Appendici superficiali:

pili (interazione e scambio genetico)

e flagelli (locomozione).

Conferiscono migliori proprietà di interazione,

con cui instaurare relazioni di simbiosi

o parassitismo. 8

membrana plasmatica

La (o citoplasmatica) è l'elemento che conferisce individualità alla cellula e ne garantisce

l'omeostasi, separando il citoplasma dall'esterno e regolando selettivamente gli scambi.

funzioni

È sede di vitali che negli eucarioti avvengono negli organelli:

• Permeabilità selettiva: permette l'ingresso e dell'uscita di soluti:

- piccole molecole liposolubili, prive di carica (acqua, gas)

- scarsamente polari (es. ammoniaca, urea, etanolo e glicerolo)

Invalicabile per gli ioni, composti polari e grosse molecole non polari

Il peptidoglicano forma una struttura reticolare idrofila a maglie larghe che non esercita

una selezione significativa, permettendo la libera diffusione

La velocità di diffusione è un fattore critico per la sopravvivenza: più rapida è la diffusione dei nutrienti e

l'espulsione delle scorie metaboliche (che altrimenti diventerebbero tossiche), più efficiente sarà il metabolismo

• Processi metabolici: e

- respirazione cellulare fotosintesi che generano la forza proton-motrice necessaria per sintetizzare ATP

- biosintesi di fosfolipidi, peptidoglicano e lipopolisaccaridi

• Trasduzione del segnale: Proteine di membrana captano segnali fisici (luce, T) o chimici (osmolarità, tossine)

tramite domini extracellulari o periplasmatici, modificando l'espressione genica per adattare la cellula.

struttura

La generale delle membrane biologiche nelle cellule

procariotiche ed eucariotiche risulta simile.

Seguono il Modello a Mosaico Fluido, ovvero una struttura

dinamica di doppio foglietto fosfolipidico a cui sono associate

delle proteine in grado di scorrere.

Tuttavia, differiscono dalle eucariotiche per la composizione dei

lipidi e tipologia di proteine associate

1. Lipidi:

• Natura Anfipatica: i fosfolipidi possiedono una

testa polare idrofila (D-glicerolo-3-fosfato) rivolta verso l'esterno

coda idrofoba (2 catene di acidi grassi non ramificati) rivolta verso l'interno.

• Legami: le code sono legate al glicerolo tramite legami estere

nelle posizioni C1 e C2.

In C3 si legano i diversi gruppi funzionali (diversi fosfolipidi)

• Fluidità: fondamentale per la funzionalità

Alle variazioni di T, la cellula modifica la composizione degli acidi

grassi:

o acidi grassi insaturi (con doppi legami) o ramificati per

ripristinare la fluidità, per far fronte a basse T che

tendono a solidificare la membrana.

o non possiedono steroli (molecole planari e rigide -

colesterolo) a differenza degli eucarioti, usati per

stabilizzare le membrane

Quando parliamo di fosfolipidi in ambiente acquoso facciamo riferimento

alla configurazione termodinamicamente più stabile

per

Proteine di Membrana superare l'impermeabilità del doppio strato fosfolipidico:

2. (es. cellula di E. coli possiede circa 200 proteine diverse associate alla membrana)

• Integrali: inamovibili, inserite nel doppio strato.

Di natura anfipatica

Insolubili in acqua; se immerse si organizzano in strutture “micellari”

• Periferiche rimovibili, associate tramite interazioni non covalenti.

Un breve segmento di amminoacidi idrofobi, il dominio

transmembrana, funge da "ancora".

• Lipoproteine: si estendono verso l’esterno ancorate tramite una coda

lipidica 9

Membrana negli Archea

Gli Archea presentano differenze nette rispetto i Bacteria, fondamentali per la loro resistenza in ambienti estremi:

1. Catene ramificate e sature (non acidi grassi lineari)

2. utilizzano L-glicerolo (chiralità)

(enantiomero del D-glicerolo batterico).

3. catene alifatiche sono unite al glicerolo tramite legami etere,

chimicamente più stabili dei legami estere.

4. Lipidi di membrana:

si organizzano principalmente in due strutture:

1. Di-eteri del Glicerolo: 2 catene

alifatiche + glicerolo

2. Tetra-eteri del Glicerolo: 2 lunghe

catene alifatiche (composte da 40

atomi di carbonio) sono legate

contemporaneamente a due

estremità di glicerolo diverse.

Conferiscono alla membrana

una resistenza al processo di separazione dei foglietti fosfolipidici e un'elevata impermeabilità, molto

frequentemente negli archea ipertermofili

[nei Batteri: all'aumentare della temperatura, le catene

idrocarboniose acquisiscono una maggiore mobilità.

Questo rende la membrana eccessivamente fluida

e permeabile all'acqua e ai protoni, portando al collasso

del gradiente energetico della cellula] 10

Modalità di trasporto

Si avvale delle proteine di membrana

(nei procarioti sono costituite da regioni ad a-elica permettendo, di attraversare la membrana e alla molecola di

attraversare la proteina)

1. Trasporto Passivo (Secondo Gradiente) senza dispendio energetico, sfruttando la differenza di concentrazione (C)

tra l'interno e l'esterno.

• Diffusione Semplice: passaggio di piccole molecole apolari.

• Diffusione Facilitata: Richiede l'intervento di proteine integrali:

o Canali/Pori: tunnel idrofilo per ioni e piccole

molecole.

o Acquaporine: canali specifici per l'acqua che

permettono di regolare la pressione

osmotica.

o Carrier (Permeasi): legano specificamente il

substrato (uniporto) e lo trasferiscono

attraverso la membrana.

o Porine: specifiche o aspecifiche

nei Gram -, sono strutture trimeriche

nei Gram +, la diffusione facilitata non

consente di accumulare all’interno della

cellula una concentrazione di soluto

superiore a quella esterna

2. Trasporto Attivo (Contro Gradiente) permette

l'accumulo di nutrienti nel citoplasma anche quando

la loro concentrazione esterna è molto bassa.

Richiede energia metabolica (ATP, reazioni redox o energia fotochimica).

• Trasporto Attivo Primario: