Microbiologia generale

Microbiologia

generale 1

1.Introduzione ...................................................................................................... 4

1.2 Caratteristiche di un sistema/organismo vivente ................................................................... 5

1.3 Caratteristiche dei microrganismi ........................................................................................... 6

1.4 Cenni storici della microbiologia ............................................................................................. 7

1.5 Origine dei microrganismi ....................................................................................................... 9

1.6 Strutture delle cellule microbiche .........................................................................................10

2. La cellula microbica .......................................................................................... 12

3. Batteri .............................................................................................................. 14

3.1 Parete cellulare dei batteri gram positivi ..............................................................................16

3.2 Parete cellulare dei batteri gram negativi .............................................................................17

3.3 Membrana citoplasmatica .....................................................................................................19

3.3.1 Trasporti di membrana ............................................................................................................................. 20

3.4 Interno della cellula batterica ................................................................................................22

3.5 Esterno della cellula batterica ...............................................................................................23

3.6 Differenza tra cellule eucariote e cellule procariote ............................................................25

3.7 Endospore ..............................................................................................................................26

4. Metabolismo cellulare ..................................................................................... 29

4.1 Classificazione dei microorganismi ........................................................................................30

4.2 Terreni di coltura ...................................................................................................................31

4.3 Potenziali di ossidoriduzione e trasporto di elettroni ...........................................................31

4.4 Vie di degradazione degli zuccheri ........................................................................................35

4.5 Respirazione ...........................................................................................................................37

4.6 Fermentazione .......................................................................................................................39

4.6.1 Fermentazione alcolica ............................................................................................................................. 40

4.6.2 Fermentazione lattica ............................................................................................................................... 40

4.7 Metabolismo Chemiorganotrofo, Chemiolitotrofo e Fototrofo ...........................................41

5. Crescita microbica ............................................................................................ 43

5.1 Scissione binaria ....................................................................................................................43

5.2 Sintesi del peptidoglicano ......................................................................................................44

5.3 Definizioni e parametri della crescita microbica ...................................................................44

5.4 Fasi e relazioni della crescita microbica ................................................................................47

5.5 Effetti dei fattori ambientali sulla crescita microbica ...........................................................50

6. Tassonomia dei microrganismi ......................................................................... 55

6.1 Concetto di specie .................................................................................................................56

7. Virus................................................................................................................. 60

2

7.1 Ciclo litico .............................................................................................................................. 61

7.2 Ciclo lisogeno ........................................................................................................................ 61

7.3 Restrizione batterica e modificazioni virali ........................................................................... 62

8. Genetica e mutazioni ....................................................................................... 63

8.1 Mutazioni da errori nella replicazione del DNA.................................................................... 65

8.2 Mutazioni da mutageni chimici e fisici: Mutagenesi ............................................................ 66

8.3 Trasposizione: elementi trasponibili ..................................................................................... 67

8.3.1 Mutagenesi per trasposizione ................................................................................................................... 68

8.4 Mutagenesi orizzontale ........................................................................................................ 69

8.4.1 Trasformazione .......................................................................................................................................... 69

8.4.2 Trasduzione ............................................................................................................................................... 69

8.4.3 Coniugazione ............................................................................................................................................. 70

8.4.4 Mutazioni adattive..................................................................................................................................... 70

9. Tecniche di studio dei microrganismi ............................................................... 71

9.1 Osservazione dei microrganismi al microscopio .................................................................. 72

9.1.1 Microscopia ottica ..................................................................................................................................... 72

9.1.2 Altri tipi di Microscopia ............................................................................................................................. 75

9.2 Isolamento dei microrganismi .............................................................................................. 76

9.3 Identificazione dei microrganismi ......................................................................................... 77

9.4 Determinazione quantitativa della crescita microbica ......................................................... 78

9.4.1 Conta totale ............................................................................................................................................... 78

9.4.2 Conta vitale ................................................................................................................................................ 78

9.4.3 Metodi indiretti ......................................................................................................................................... 78

9.5 Distruzione dei microrganismi .............................................................................................. 79

9.5 Analisi delle comunità microbiche tramite metodi molecolari ............................................ 81

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1.Introduzione

La Microbiologia è la scienza che studia i microrganismi e la loro attività.

Ha per oggetto l’identificazione e lo studio della forma, della struttura, della fisiologia e del metabolismo dei

microrganismi.

Comprende lo studio della loro distribuzione in natura (ecologia microbica).

Inoltre, studia le relazioni tra i microrganismi e gli altri esseri viventi, degli effetti benefici e dannosi che hanno

sugli esseri umani, le piante e gli animali, delle modificazioni fisiche e chimiche che provocano nel loro ambiente.

La cellula dei microrganismi è uno strumento

codificante ed è una macchina chimica.

Strumento codificante perché codifica l'informazione

genetica necessaria per la sintesi delle proteine,

Inoltre, il codice genetico contenuto nel DNA può

essere trasmesso alle generazioni successive

attraverso il processo di replicazione del DNA.

Macchina chimica perché tutte le proteine prodotte

tra cui enzimi catalizzano un sacco di reazioni e

producono energia.

Queste due funzioni sono collegate ma molto ben

distinte.

Nei microrganismi, anche quelli pluricellulari, ogni cellula è autosufficiente.

I microrganismi sono tutti quelli organismi che non

riescono ad essere visualizzati ad occhio nudo; infatti,

man mano che scendiamo in questa scala, abbiamo

bisogno di strumentazioni più complesse, l’occhio

umano arriva fino a 100micron, il microscopio ottico

arriva fino a 10 nanometri, mentre sotto i 10

nanometri dobbiamo utilizzare il microscopio

elettronico.

I microrganismi vengono classificati come:

- Virus: sono un mondo a sé, non sono né cellule

eucariote né cellule procariote.

- Batteri: sono cellule procariote.

- Funghi: sono cellule eucariote.

- Protozoi: organismi unicellulari eucarioti, più grandi

dei virus e batteri, hanno delle bocce per nutrirsi

- Microalghe sono piccolissime piante, unicellulari,

fanno la fotosintesi.

Esistono due tipi differenti di cellule microbiche: procariote e eucariote.

La maggiore differenza tra le cellule di questi due gruppi di organismi sta nel fatto che i procarioti presentano il

materiale genetico libero nel citoplasma, mentre negli eucarioti esso si trova segregato all'interno di un nucleo

circondato da membrana.

I virus invece sono particelle di dimensione microscopica “parassiti intracellulari obbligati”.

I microrganismi non si originano spontaneamente dalla materia, ma derivano da altri microrganismi.

Funghi, muffe, lieviti, protozoi e microalghe sono eucarioti. 4

1.2 Caratteristiche di un sistema/organismo vivente

1) Un organismo vivente ha un metabolismo, preleva delle molecole dall’ambiente, produce ciò di cui ha

bisogno, e riammette nell’ambiente altre molecole.

2) Un organismo vivente è in grado di riprodursi, le molecole prelevate dall’ambiente consentono all’organismo

di crescere talmente tanto da generare un altro organismo.

3) Un organismo vivente è in grado di differenziarsi, differenziano strutture con funzioni specifiche all’interno

della cellula (es spore)

4) Un organismo vivente è in grado di comunicare con gli altri organismi, per gli organismi superiori è fatta di

tante cose, per i microrganismi comunicano grazie allo scambio di molecole.

5) Gli organismi sono in grado di muoversi, più in particolare i microorganismi hanno delle strutture che

consentono loro di spostarsi

6) Un organismo vivente è in grado di evolversi, cioè acquisiscono delle nuove funzionalità

Classificazione degli organismi viventi 5

1.3 Caratteristiche dei microrganismi

- Unità di misura e rapporto Superficie/volume

L’unità di misura per i microrganismi è µm (micrometro).

La dimensione di questi microorganismi è molto importante, più in

particolare ci interessa il rapporto tra superficie e volume; infatti, più

piccola è la sfera maggiore sarà il rapporto tra superfice e volume;

quindi, maggiore sarà la superficie esposta rispetto alla dimensione

(pensa alle botti di vino).

Quindi più piccola è la cellula maggiori saranno le velocità di

interazioni e gli scambi con l’ambiente.

I procarioti sono cellule molto piccole rispetto agli eucarioti e le loro

ridotte dimensioni sono responsabili di numerose proprietà biologiche.

La velocità con cui le sostanze nutritive e i prodotti di scarto entrano ed escono dalla cellula è generalmente

inversamente proporzionale alle dimensioni della cellula.

La velocità di trasporto è funzione della SUPERFICIE di membrana disponibile rispetto al VOLUME: le cellule più

piccole hanno una maggiore superficie disponibile rispetto a quelle grandi.

I procarioti riescono a crescere più velocemente e a duplicare il materiale genetico perché sono più piccole e

perché hanno meno materiale genetico degli eucarioti.

Vediamo le dimensioni di alcuni organismi e virus:

Vediamo come questi batteri hanno dimensioni e forme molto diverse.

A parità di nutrienti un bovino di 500 Kg in 24 ore sintetizza circa 0,5 Kg di proteine, mentre nello stesso tempo

500 Kg di cellule di lievito possono produrre 50.000 Kg di proteine.

Flessibilità metabolica-fisiologica

Un'altra caratteristica dei microorganismi è la loro flessibilità metabolica e fisiologica.

Nelle piante e negli animali la dotazione degli enzimi è relativamente rigida, mentre nei microrganismi la

flessibilità metabolica è maggiore.

Infatti, generalmente è sufficiente un grammo di terra di giardino per trovare un batterio o dei microorganismi

capaci di utilizzare una sostanza naturale qualsiasi.

Nell’ambito dei microrganismi c’è una biodiversità molto ampia, inoltre riescono a modificare velocemente il loro

metabolismo.

I microrganismi sono molto adattivi, possono attivare-disattivare vie metaboliche e riescono ad acquisire nuove

competenze da chi li sta in torno, questo consente loro di avere una flessibilità metabolica e fisiologica molto

accentuata, ecco perché i microorganismi sono ovunque anche dove non ci sono organismi superiori.

Diffusione dei microrganismi

Batteri e cianobatteri sono cosmopoliti: si ritrovano in ambienti artici, in tutti gli ambienti acquatici, in strati

relativamente alti dell'atmosfera etc.

"I microrganismi sono presenti dappertutto solo l'ambiente decide quale tipo riuscirà ad affermarsi" 6

1.4 Cenni storici della microbiologia

A causa delle loro dimensioni estremamente ridotte, l’esistenza dei microrganismi è stata ignorata per diversi

anni.

All’inizio Aristotele (384-322 a.C.) pensava che gli animali potessero originarsi spontaneamente dalle piante e dal

terreno, inoltre gli organismi venivano suddivisi in due regni, animale e vegetale.

Si pensava perciò che gli organismi viventi potessero generarsi spontaneamente dalla materia in decomposizione:

Generazione spontanea o Biogenesi.

Successivamente Francesco Redi (1626-1697) negò la teoria della

Biogenesi, conducendo esperimenti sulla carne in putrefazione.

Con il suo esperimento dimostro come la teoria di aristotele non fosse

corretta.

Con la teoria D (garza contaminata) ha generato degli organismi,

comprese l’esistenza di qualcosa che generava la vita che non riuscivamo

a vedere a occhio nudo, i microroganismi.

Antony van Leeuwenhoek (1632-1723) nel 1676 scoprì gli “animalcules”

grazie al suo microscopio.

Con l’ausilio di alcune palline di vetro introdusse il primo

microscopio, inizio a disegnare i primi animaletti che osservava,

quest’ultimi erano dei veri e propri batteri.

Successivamente Hooke creo un microscopio composto, che

consentiva di osservare i “corpi minuti” quelli che erano prima gli

“animaletti”.

Dopo all’incirca 100 anni Louis Pasteur (1822-1895) introdusse l’uso dei

recipienti con collo di cigno.

Louis Pasteur è il padre della biologia classica e inizio tutto con un

esperimento.

Prese una fiasca, la riempì con un brodo, il collo della fiasca venne “coperto” a

collo di cigno, questo si è fatto per rendere più difficile lo scambio tra

l’atmosfera esterna e l’interno del contenitore.

Successivamente si sterilizzò il brodo, e il vapore usci passando attraverso il

collo.

Lasciando il brodo fermo 24h, l’aria entrerò nel tubo, ma non riuscì ad arrivare dentro la fiasca grazie alla salita

del tubo; quindi, il brodo non subbi cambiamenti.

Mettendo invece a contatto l’aria presente nel collo di cigno con il liquido, si osservarono dei cambiamenti del

brodo.

Quindi questi microorganismi esistono, e se entrano in contatto con un substrato lo modificano. 7

Un altro scienziato di nome Robert Koch apri un mondo sul lato della medicina, si chiese se questi microrganismi

fossero collegati con le malattie di quel tempo e scrisse 4 postulati che permettevano di capire se quella malattia

era causata da microorganismi patogeni.

1. Organismo presente in animali malati;

2. Organismo deve crescere in coltura pura;

3. Cellule da coltura pura devono indurre malattia;

4. Organismo isolato da animale malato deve essere identico al primo

Quindi si seleziona un animale con una possibile patologia, si preleva un campione di sangue, coltiviamo il

possibile agente patogeno, lo si immette in una cultura pura, se muore anche quest’ultimo allora la causa della

malattia era un microrganismo patogeno.

Questi postulati sono importanti storicamente e metodologicamente, ma non sono universalmente applicabili, in

quanto presentano 2 problemi: non tutti i patogeni sono coltivabili, inoltre non tutti i patogeni attivano la loro

patogenicità, questo dipende dai geni.

Oggi si parla di determinanti di patogenicità e virulenza (ad es. geni), infatti la microbiologia moderna si è staccata

dai postulati quindi dalla coltivazione (in laboratorio o in cultura pura), perché non è vero che tutti i microrganismi

sono coltivabili in laboratorio; infatti, alcuni hanno bisogno della coltura pura con delle caratteristiche che in

laboratorio non si riescono a coltivare.

Inoltre, i patogeni possono essere attivati o non attivati, questo complica molto le cose.

Quindi si va a cercare tutti i determinanti e i fattori che fa