Appunti completi di microbiologia - prof Fortina

Microrganismi

I microrganismi sono le prime forme di vita a comparire sulla Terra e a proliferare, sono infatti presenti in tutte le nicchie terrestri. Ogni microrganismo è diverso dall'altro, con caratteristiche proprie e un impatto sull'ambiente ma accomunati unicamente per la dimensione infinitesimale che li caratterizza. Essi si sviluppano in ambienti idonei nutrendosi e hanno dato origine a cellule, che non modificandosi portano informazioni.

Tipi di microrganismi

• Virus
• Batteri
• Funghi, che si dividono in lieviti e muffe
• Protozoi
• Alghe

Dimensioni dei microrganismi

Le dimensioni di questi microrganismi sono al di sotto della soglia della vista. Al microscopio ottico con ingrandimento di 1000 volte possiamo vedere:

• Batteri (1-5 µm)
• Funghi (5-8 µm)
• Protozoi (40-200 µm)

Al microscopio elettronico possiamo vedere i virus (0,01-0,3 µm).

Classificazione dei microrganismi cellulari

Possiamo dividere i microrganismi cellulari fondamentalmente in due grandi categorie:

• Procarioti: si tratta di organismi che presentano un nucleo non ben definito e il materiale genetico si colloca in diverse parti della cellula. La cellula procariota è la cellula tipica dei batteri, eubatteri e archeobatteri.
• Eucarioti: si tratta di organismi che presentano un nucleo ben definito e un genoma maggiormente complesso. La cellula eucariota è la cellula tipica degli animali, piante e protozoi come le alghe e i funghi.

Ruolo dei microrganismi

I microrganismi hanno un ruolo positivo e negativo:

• Essi vengono utilizzati per la produzione di alimenti quali latti fermentati, formaggi, vino, birra, pane e dolci. I batteri lattici sono differenti per ogni alimento: yogurt (Lactobacillus bulgaricus; Streptococcus thermophilus), burro (Lactococcus lactis e Streptococcus thermophilus) e formaggi (Lactococcus lactis e Lactobacillus helveticus) ma bisogna fare attenzione alla conservazione e all'igiene per evitare che si riproducano batteri cattivi (Salmonella typhi; Clostridium botulinum, Listeria monocytogenes). In alcuni casi, i batteri sono considerati buoni per un specifico alimento ma in altri sono cattivi come ad esempio i batteri lattici nella birra (poiché non è richiesta la presenza).
• Produzione di metaboliti, vengono utilizzati come antibiotici, vitamine, solventi, polisaccaridi ed enzimi.
• Vengono utilizzati come fertilizzanti del suolo, depurazione.
• Portano infezioni e intossicazione alimentare come salmonellosi e botulismo.
• Sono agenti eziologici di malattie (pertosse, tetano, scarlattina, colera).

Caratteristiche delle cellule procariote ed eucariote

La cellula procariota è costituita da DNA, ribosomi, citoplasma, membrana cellulare e parete cellulare. È aploide.

La cellula eucariota è costituita da: membrana cellulare, apparato di Golgi, ribosoma, reticolo endoplasmatico ruvido e liscio, nucleo, mitocondri, lisosoma, citoplasma, DNA, RNA, perossisomi, desmosomi, parete cellulare. È diploide, il genoma è organizzato in più coppie di cromosomi omologhi.

I batteri

Si tratta degli organismi unicellulari più comuni in natura, tali cellule sono caratterizzate da forme diverse. I batteri hanno cellule di tipo procariotico aploide, quindi mancano di involucro nucleare a protezione del materiale genetico, che si trova nel citoplasma, e non hanno organuli e citoscheletro, caratteristiche tipiche delle cellule eucariotiche.

I batteri sono dotati di una parete cellulare, una struttura rigida e solida che ha la funzione di proteggere la cellula dagli sbalzi osmotici, in più le conferisce una forma. Questa struttura non è fondamentale per la vita della cellula, infatti alcuni ne sono privi. Quando vengono privati della parete (a causa di un agente litico), i batteri assumono tutti la forma circolare: protoplasti (sono sensibili alla pressione osmotica) o sferoplasti (a forma sferica). Sono però più sensibili alla pressione osmotica e possono scoppiare.

La parete è costituita da peptidoglicano che è un polimero responsabile della rigidità della cellula dei batteri. I due monomeri fondamentali che si alternano e che sono legati mediante legami glicosidici beta 1,4 sono N-acetil-glucosammina (NAG) N-acetil-muramico (NAM), molto suscettibile all'attacco degli enzimi lattici. Al NAM è legata una catena di amminoacidi (L-alanina; D-glutammico; N-diaminopimelico; D-alanina) che può essere legata ad un'altra catena peptidica di un'altra catena di NAM e NAG, dando la struttura a rete in 3D.

La catena di amminoacidi si lega alla catena peptidica di un'altra catena di NAM e NAG tramite legami crociati:

• Legami diretti, mediante legame peptidico tra acido diaminopimelico e D-alanina (GRAM -)
• Legami indiretti, mediante ponte pentaglicinico tra L-lisina e D-alanina (GRAM +)

La mancata formazione dei legami crociati indebolisce la parete e stimola il batterio a produrre degli enzimi che la degradano completamente. Tutti i batteri che posseggono parete cellulare possono essere suddivisi in base ad alcune componenti che costituiscono la parete e anche in base allo spessore. Si dividono in GRAM POSITIVI e GRAM NEGATIVI.

Gram positivi

Sono quei batteri che rimangono colorati di blu o viola dopo aver subito la colorazione di Gram. Sono in grado di trattenere la colorazione del cristalvioletto a causa dello strato di peptidoglicano presente nella loro parete cellulare, che è un pluristratificato e rappresenta il 50-90% del loro peso. Nella parete sono presenti anche alcune molecole polisaccaridiche e degli acidi tecoici, esteri modificati del glicerolo o del ribitolo che possono fuoriuscire dalla parete cellulare, per questo sono degli antigeni di superficie (molecola che il nostro organismo riconosce come estranea). Alcuni GRAM + contengono anche acidi micolici (cere), impermeabili sia agli acidi che agli alcoli e che conferisce più resistenza.

Gram negativi

Sono quei batteri che rimangono colorati di rosa dopo aver subito la colorazione di Gram. La loro parete è più complessa di quella dei GRAM +, il peptidoglicano rappresenta solo il 10% della totalità della parete ed è lo strato più interno, mentre la parte più consistente è formata dalla membrana esterna composta da proteine e di una significativa componente lipidica. Il peptidoglicano aderisce alla membrana plasmatica e la sua struttura è simile a quella dei GRAM +, con la differenza che quello dei GRAM - è monostratificato, poiché i legami crociati tra i tetrapeptidi sono di numero inferiore. Il peptidoglicano è ancorato alla membrana esterna tramite le lipoproteine. La membrana esterna è composta da lipopolisaccaride, formato a sua volta da 3 parti:

• Lipide A, che può essere tossico per gli animali
• Core polisaccaridico
• Antigene

A differenza della membrana citoplasmatica, la membrana esterna dei batteri GRAM -, pur essendo essenzialmente un doppio strato fosfolipidico, è parzialmente permeabile a piccole molecole. Ciò avviene grazie alla presenza sulla membrana esterna di piccole proteine chiamate porine, che svolgono la funzione di canali permettendo l'entrata e l'uscita di sostanze idrofiliche, a basso peso molecolare.

Nei lieviti la parete può essere costituita anche da diversi componenti che conferiscono rigidità (mannoproteine, beta-glicani, chitina). Alcuni batteri secernono sulla superficie esterna delle sostanze polisaccaridiche che formano degli ulteriori rivestimenti: se hanno una struttura rigida e impermeabile a varie sostanze prendono il nome di capsule, mentre nel caso di un'organizzazione meno compatta si parla di strati mucosi. Questi involucri sono implicati nell'adesione alle superfici, compresi i tessuti animali e in alcuni casi impediscono il riconoscimento da parte delle cellule fagocitiche dell'organismo ospite. Possono inoltre contribuire alla protezione dall'essiccamento data la capacità di richiamare grandi quantità d'acqua.

La capsula inoltre gioca un ruolo fondamentale nella formazione di biofilm sulle superfici più disparate, dove un gran numero di batteri sono immersi e circondati da una matrice polisaccaridica. La capsula batterica non è una struttura essenziale per la vita della cellula. Non è prodotta da tutte le specie batteriche e le specie che possono produrla non sempre la sintetizzano. Come tutte le cellule, anche i batteri sono delimitati da una membrana citoplasmatica, collocata tra la parete e il citoplasma, costituita da un doppio strato fosfolipidico che costituisce un mosaico fluido dove le proteine ad esso associato sono dotate di una discreta mobilità.

Le proteine svolgono varie funzioni, tra cui riconoscimento di molecole provenienti dall'esterno, trasporto e attività enzimatica. Essa è la maggior barriera che separa l'esterno dall'interno, permette di interagire selettivamente con l'ambiente e con altre cellule ed è altamente organizzata; ha una struttura dinamica che si adatta costantemente alle variazioni delle condizioni ambientali. A differenza delle cellule eucariotiche, la membrana non contiene steroli ma molecole simili chiamate opanoidi. Inoltre, gli acidi grassi polinsaturi sono piuttosto rari, questo influenza la fluidità della membrana. La fluidità della membrana è influenzata dalla temperatura e dall'equilibrio tra acidi grassi saturi e insaturi.

Nei procarioti la membrana svolge anche altre funzioni essenziali al metabolismo del batterio:

• Produzione di energia mediante il processo della respirazione
• Contiene l'apparato fotosintetico
• Contiene i mesosomi dove avviene la riproduzione della cellula batterica per scissione binaria

Questo perché non ha mitocondri, non ha cloroplasti e non ha l'apparato mitotico. Nel citoplasma dei batteri sono sempre presenti ribosomi per la sintesi proteica e DNA. Il DNA occupa una regione del citoplasma detta nucleoide (dove si trova l'informazione genetica), che si colora leggermente. In Escherichia coli, il batterio più studiato, è presente una sola molecola di DNA circolare, detto cromosoma a doppio filamento, in forma CCC e superavvolta. Ma la conoscenza più approfondita in questo campo ha portato alla scoperta anche di casi in cui sono presenti più copie di DNA circolare o lineare. Inoltre possono essere presenti molecole di DNA che conferiscono caratteristiche accessorie e si replicano indipendentemente dal cromosoma batterico, i plasmidi. Essi non sono essenziali alla cellula ma contengono geni che possono conferire un vantaggio per la crescita in particolari condizioni.

Il DNA batterico è ancorato in alcuni punti a delle introflessioni della membrana plasmatica dette mesosomi, che svolgono un ruolo fondamentale nella duplicazione del DNA, nelle formazioni di setti e nella ripartizione delle molecole di DNA alle cellule figlie durante la scissione binaria. I ribosomi sono complessi macromolecolari, presenti in tutte le cellule, sia eucariote che procariote, responsabili della traduzione del codice genetico in catene di amminoacidi, ovvero la sintesi proteica. Sono formati da 2 subunità (maggiore e minore), entrambe costituite da un complesso di RNA e proteine.

Svolgono la loro attività di sintesi proteica nello spazio citoplasmatico, dove lavorano in sinergia con l'RNA messaggero e gli RNA transfer. I ribosomi si differenziano principalmente in 2 tipi: quelli dei procarioti e quelli degli eucarioti, in base alle differenze del coefficiente di sedimentazione (serve a quantificare la densità):

• I ribosomi batterici hanno un coefficiente di sedimentazione pari a 70S e le due subunità hanno un coefficiente di 50S e 30S
• I ribosomi degli eucarioti hanno un coefficiente pari a 80S (60S e 40S)

L'attività catalitica non è ad opera delle proteine, ma il filamento stesso di RNA possiede attività enzimatica ed è in grado di dirigere la formazione del legame peptidico tra gli amminoacidi, mentre le proteine ribosomiali hanno una funzione accessoria e permettono di stabilizzare e velocizzare il processo di traduzione. Tra la replicazione di DNA e la sintesi proteica c'è la trascrizione che avviene grazie ad opera di mRNA. L'mRNA (RNA messaggero) trascrive solo particolari regioni del DNA che contengono informazioni che servono in quel momento alla cellula; questo grazie ad un enzima, la RNA polimerasi, che si lega al gene da copiare.

L'mRNA arriva nei ribosomi dove avviene la sintesi proteica. La traduzione quindi permette di legare i vari amminoacidi che andranno a costituire la catena polipeptidica delle varie proteine e avviene in 3 fasi:

1. Inizio: questa fase comincia quando la subunità minore del ribosoma si attacca al filamento di mRNA mettendo in evidenza il primo codone (AUG). Il primo tRNA si appaia in modo tale che codone e anticodone corrispondano.
2. Allungamento: una molecola di tRNA che porta il secondo amminoacido specificato dalla sequenza dell'mRNA si posiziona nel sito A del complesso. Tra i due amminoacidi si forma un legame peptidico. Quando il primo tRNA si stacca dall'mRNA, il secondo si sposta nel sito P, trascinando la sua piccola catena di amminoacidi. Un terzo tRNA va quindi ad occupare il sito A, ora vacante, localizzato sulla successiva tripletta della sequenza.
3. Terminazione: terminata la catena polipeptidica nel sito A si inserirà una proteina detta fattore di rilascio. In tal modo la catena si libera e si staccano le subunità del ribosoma.

All'interno della cellula batterica è presente il citoplasma (80% acqua + differenti componenti) e possono essere visibili al microscopio ottico granuli e altre inclusioni tra cui:

• Carbossisomi, tali strutture sono il luogo dove viene fissata la CO₂ o si accumula l'enzima carbossilasi.
• Magnetosomi, sono tanti piccoli granuli di magnete. I batteri utilizzano queste strutture per orientarsi nel campo magnetico del pianeta. Questa capacità viene sfruttata da microrganismi acquatici per riuscire a dirigersi verso ambienti più favorevoli sia per la presenza di sostanze nutritive o per una maggior presenza di ossigeno e luce.
• Vacuoli gassosi, dove si formano tubulari vuote, costituite da vescicole proteiche; sono presenti in molti procarioti acquatici (cianobatteri). Garantiscono il galleggiamento della cellula microbica, permettendole di disporsi nei livelli d'acqua dove la luce, il tenore d'ossigeno e i nutrienti consentono il loro sviluppo.
• Granuli di riserva (polifosfati e glicogeno) sono inclusioni che contengono sostanze di riserva.

Sulla superficie di alcuni batteri è possibile trovare delle strutture di natura proteica: fimbrie, pili e flagelli:

• Fimbrie: consentono l'adesione alle superfici come i tessuti animali nel caso di batteri patogeni.
• Pili: simili alle fimbrie, ma meno numerosi e più lunghi, sono principalmente utilizzati nella coniugazione (pili sessuali). I pili sessuali (GRAM -) collegano una cellula all'altra e si crea un ponte attraverso il quale, il materiale genetico della prima cellula passa alla seconda. Servono inoltre a favorire l'adesione della cellula a particolari superfici, così da formare comunità batteriche che si aiutano fra di loro. I pili, inoltre, sono utilizzati come recettori da parte di alcuni virus.
• Flagelli: sono appendici con struttura elicoidale ottenuti dall'assemblaggio di numerose subunità della proteina flagellina. Il movimento rotatorio dei flagelli assicura la motilità della maggior parte dei batteri che vivono in ambienti acquatici. Hanno una lunghezza di 5-20 nm e non sono visibili al microscopio ottico.

In base a dove si posizionano possiamo distinguere:

• Monotrico, un solo flagello in una sola estremità
• Anfitrico, si trova su entrambi le estremità della cellula
• Lofotrico, ciuffi di flagelli ad entrambi le estremità della cellula
• Peritrico, si trovano su tutta la superficie cellulare

I flagelli hanno un movimento rotatorio che si origina dal corpo basale con inversione della rotazione del flagello in risposta a segnali intracellulari ed esterni. La subunità flagellina è legata alla struttura esterna chiamata uncino che ruota in senso antiorario rispetto agli anelli del corpo basale. I batteri si muovono solo per raggiungere i nutrienti e hanno un avanzamento in linea retta più capovolgimento.

Forma dei batteri

I batteri sono caratterizzati da forme diverse, possiamo dire che morfologicamente distinguiamo:

• Cocchi: hanno una forma sferica.
• Bacilli: hanno una forma cilindrica, a bastoncino e possono essere più o meno lunghi; coccobacillo (stretto e lungo), bacillo (corto e tozzo).
• Spiriliformi: spirali rigide o più flessibili.
• Vibrione: a forma di virgola.
• Forme irregolari: hanno una forma a Y, chiamati anche coliformi e i più diffusi sono i bifido batteri, che hanno una spiccata attività probiotica per l'intestino.
• Stellati
• Filamentosi: sono a forma filamentosa e sono molto lunghi con pochi micron di diametro. Fanno parte alcuni batteri filamentosi. Alcuni batteri filamentosi ricordano piccole muffe perché i filamenti si innalzano dal terreno. Sono difficili da trovare negli alimenti: sprigionano l'odore tipico della pioggia.

Le cellule tendono ad aggregarsi in modo diverso da batterio a batterio ma spesso si riproducono in un certo numero di generazioni che mantengono uno stretto rapporto dando origine a caratteristici raggruppamenti che prendono il nome di:

• Diplococco: quando i batteri sono riuniti a due a due. Nel caso di bacilli si parla di diplobacilli.
• Stafilococco: quando danno luogo ad ammassi irregolari, a grappolo.
• Streptococco: quando si dispongono in catenelle più o meno lunghe. Nel caso di bacilli si parla di streptobacilli.