Appunti di Microbiologia (prof. Mastromei)

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MICROBIOLOGIA

INTRODUZIONE

ALCUNI USI DEI MICRORGANISMI

• ◊

Agricoltura azoto fissazione

Ciclo dei nutrienti

◊

Rumine degradazione della cellulosa

• ◊

Energia/ambiente biocombustibili

Biorisanamento

Bioestrazione

• ◊

Cibo conservazione dei cibi

Cibi fermentati

Additivi alimentari

• ◊

Malattie identificazione di nuove malattie

Trattamento, cura, prevenzione

• ◊

Biotecnologie organismi geneticamente modificati

Produzione di farmaci

Terapia genica per alcune malattie QUANDO NASCE

LA MICROBIOLOGIA COME DISCIPLINA? ◊

Disciplina giovane per via dell’oggetto di studio organismi non visibili ad occhio nudo Mentalità passata del ciò che

non si vede non esiste ◊ ◊ ◊

Il primo strumento per l’osservazione risale al 1700 Leuwenhock mercante con l’hobby del naturalismo inventa

il primo microscopio ◊ ◊

Spallanzani e Redi confutano la teoria della generazione spontanea comparsa spontanea di microrganismi/mosche sulla carne marcia

◊

Spallanzani scalda infusione/brodo

◊

Redi protegge la carne dalle mosche

◊ ◊

Appert inventa i cibi in scatola ispirato dagli esperimenti di Spallanzani (periodo napoleonico) Pasteur uno dei padri

della microbiologia ◊

Usa fiaschi a collo di cigno per dimostrare la presenza di microrganismi nell’aria il collo del fiasco intrappola i microrganismi sulla curva

◊ ◊

piegando il fiasco si ha contaminazione, altrimenti il liquido resta sterile confutazione definitiva della generazione spontanea

Prova che i microorganismi sono ovunque

Individua l’importanza dei microrganismi nelle malattie infettive e nei processi industriali Individua la causa di certe malattie, ma

non i rimedi

◊ ◊ ◊

Lister 1867 introduce l’asepsi chirurgica con uno spray al fenolo Koch

◊

intuisce le basi della batteriologia medica postulati di Koch

CARATTERISTICHE DEI MICRORGANISMI

• ◊

Origine di tutte le forme viventi prime forme cellulari

• Diversità filogenetica superiore a quella di piante ed animali

• ◊

Estremamente numerosi in 1 mL di soluzione si trova un miliardo di microorganismi

• Vivono in qualunque ambiente, purché ci sia acqua allo stato liquido

• Responsabili delle trasformazioni della materia necessarie alla vita

• Trasformano la geosfera (azione su rocce, sedimenti)

• ◊ ◊

Influenzano il clima (crescite microbiche nell’oceano rilascio di particelle volatili nuvole)

• Coinvolti in simbiosi con piante, animali ed altri microrganismi

• Causano malattie

• Influenzano il comportamento di piante ed animali USO DEI

MICRORGANISMI

Svolgere reazioni chimiche di importanza industriale

Modifiche genetiche per produrre proteine utili (es. vaccini) Migliorare la produzione e

conservazione degli alimenti

Contribuire alla salute pubblica (impianti di depurazione dell’acqua) Biorisanamento di siti

inquinati ◊

Uso malevolo armi biologiche, bioterrorismo

CELLULA PROCARIOTE =/= CELLULA EUCARIOTE

No organuli Organuli ben organizzati

No nucleo Sì nucleo

Parte cellulare presente nella maggior parte delle cellule batteriche DNA disperso nel

citoplasma

BATTERI ED ARCHEA ◊ ◊

Tre domini del dell’albero della vita batteria, archea ed eucaria Cellula degli archea

procariote ma diversa da quella batterica ◊

Differiscono nelle proprietà chimiche di parete e membrana cellulare (archea ha strutture uniche) Batteri sensibili agli

◊

antibiotici; archea insensibili alla maggior parte di essi

Gli enzimi di archea per la sintesi proteica di acidi nucleici sono più simili a quelli eucarioti Batteria comprende microrganismi patogeni

per piante ed animali, archea no

Archea vivono in ambienti estremi (ipertermofili e metanogeni) LA CELLULA BATTERICA

GRANDEZZA ◊

Dimensioni molto varie da Haemophilis influenzae (0,25x1,2 μm) a Oscillataria (8x50 μm) In genere nell’ordine dei pochi

◊

microni più piccole delle cellule eucariote

◊ ◊ ◊ ◊

Epulopiscium fishelsoni eccezione più grande delle eucarioti (fino a o,5 mm) vive in simbiosi con un pesce Scambi con l’esterno attraverso la

◊ ◊

superficie ragione per cui le dimensioni degli organismi unicellulari restano ridotte più la cellula è grossa, più richiede sostanze, ma la superficie di

scambio diventa insufficiente

FORME

Tra le più comuni ci sono:

• Cocco

• Bacillo

• Vibrione

• Spirillo

La morfologia è utile per il riconoscimento, ma può trarre in inganno Le condizioni ambientali

influenzano la forma

Ogni cellula batterica è un individuo AGGREGAZIONI

CELLULARI

Ammassi di cellule batteriche formati da cellule che dopo la divisione non si separaono Ogni cellula resta indipendente

• Diplococchi

• Streptococchi

• ◊

Sarcina ammassi sulle tre dimensioni

• ◊

Stafilococchi ammassi casuali

• Streptobacilli (testa­coda)

LOCALIZZAZIONE DELLE MACROMOLECOLE NELLA CELLULA

◊ ◊

Proteine ubiquitarie (membrana, parte, citoplasma, flagello) Acidi nucleici

DNA, RNA ◊

Polisaccaridi e lipidi granuli di accumulo – rivestimento che li separa dal resto del citoplasma MORFOLOGIA

Numerosi strati partendo dall’esterno:

• Flagello (uno o più di uno)/fibre

• ◊ ◊

Capsula non sempre presente zona di accumulo di sostanze

• ◊ ◊ ◊

Parete importante presente nella maggior parte dei procarioti rigida e fondamentale per sopravvivere

• ◊

Membrana funzioni diverse dalla cellula eucariote

• ◊

Citoplasma contiene il genoma

• ◊

Nucleoide DNA batterico

FLAGELLO

Filamento sottile che parte dalla superficie della cellula Molto lungo, non

indispensabile per la vita

Non tutte le cellule che l’hanno

Alcune possono perderlo per traumi meccanici

Posizione e numero variano da un microrganismo all’altro

• ◊

Monotrico un flagello collocato a un’estremità della cellula

• ◊

Lofotrico ciuffo di flagelli a un’estremità (Spirillum)

• ◊ ◊

Peritrico numero elevato su tutta la superficie (Proteus vulgaris) Funzione

movimento attivo

◊

Perdita movimento passivo tramite correnti

◊

Movimento per nutrirsi e riprodursi trovare condizioni ambientali ideali Flagello batterico gram­

◊

negativo

◊ ◊

Parte basale punto di aggancio alla membrana

◊

Due piatti per agganciare uno sulla parte esterna e uno interno I piatti imprimo la

◊

rotazione motore che sfrutta l’E di membrana

◊

Punto di inizio della biosintesi del flagello crescita di tipo apicolare Formato da un’unica proteina

◊ flagellina ◊ ◊ ◊

Un batterio si muove alla velocità di 60 lunghezze cellulari/sec (17 m/h) velocità relativa enorme Ghepardo 110 km/h 25

lunghezze/sec

Stimoli per il movimento ◊

Chemiotassi stimolo di base chimica ◊

Un capillare vuoto viene immerso in una sospensione batterica non succede nulla ◊ ◊

Se nel capillare è invece presente uno zucchero/sostanza attraente, crea un gradiente di nutrienti le cellule sono attirati

maggior torbidezza (densità cellulare) verso l’apertura capillare

◊

Positiva attira Negativa

◊ allontana

◊

Fototassi stimolo della luce

I batteri fotosintetici si dispongono lungo le lunghezze d’onda meglio assorbite dai solo pigmenti ROTAZIONE DEL FLAGELLO

◊ ◊

Rotazione in senso anti orario moto rettilineo i flagelli sono sincronizzai nella rotazione

◊ ◊ ◊

Rotazione in senso orario capriole ogni flagello tira in una direzione serve a far cambiare direzione alla cellula MOVIMENTO CASUALE (vedi

disegno) ◊

In ambiente neutro nessuno stimolo che spinge in una direzione

◊ ◊

Movimento rettilineo giro orario movimento rettilineo MOVIMENTO IN DIREZIONE

SPECIFICA (vedi disegno)

Con sostanza attraente

Continuo ad avere alternanza di rotazione, ma i movimenti in direzione opposta alla sostanza sono sfavoriti

◊

La cellula deve percepire il gradiente di concentrazione della sostanza attraente mentre si avvicina memoria di ciò che è successo prima (capire la differenza)

e recettori per percepire la sostanza

RECETTORE (vedi disegno) ◊

La bilancia è in equilibrio quando sui due piatti c’è lo stesso peso recettore a riposo ◊

Su un piatto influisce l’ambiente esterno, sull’altro l’arrivo di uno stimolo positivo o negativo Chemiotassi positiva la bilancia

pende a favore dell’ambiente esterno

◊

Chemiotassi negativa la bilancia pende a favore dell’ambiente interno ◊

Per modulare il segnale, la cellula agisce sul suo piatto per ritornare allo stato neutro adattamento

◊

I recettori sono di nuovo spenti, ma sono diversi da quelli iniziali i recettori hanno bisogno di uno stimolo maggiore per riattivarsi (per chemiotassi positiva) o di

uno minore (per chemiotassi negativa)

◊

Ogni recettore ha una vita media periodicamente viene distrutto rinnovato con recettori allo stato iniziale

FIMBRIE ◊

Altri tipi di filamento sulla superficie cellulare, più corti dei flagelli Non sempre presenti

ciglia

CAPSULA ◊ ◊

Rivestimento più esterno, non sempre presente necessità di informazioni genetiche specifiche per sintetizzarlo Composizione molto variabile zuccheri

(glucosio) o amminoacidi a seconda della specie, organizzati in polisaccaridi o polipeptidi

◊

Leunostoc capsula polisaccaride a base di glucosio

◊ ◊

Crescita su terreno solido a seconda dello zucchero che forniamo, i batteri formano colonie diverse Con saccarosio capsula

presente ◊

Con glucosio capsula assente

La capsula influenza la patogenicità dell’organismo ◊

Organismi capsulati hanno bisogno della capsula per essere virulenti (vedi esperimenti di Griffith) protezione dalla risposta immunitaria

PARETE CELLULARE

Rivestimento sottostante, presente nella maggioranza dei batteri Rigido

◊

Enzima lisozima attacca e degrada la parete batterica ESPERIMENTO

In ambiente ipotonico

Il lisozima attacca la parete e la distrugge Acqua continua ad

◊

entrare la cellula scoppia

La parete è un guscio rigido che controlla l’entrata di acqua nella cellula e le impedisce di scoppiare In ambiente isotonico

Il lisozima degrada la parete

◊

Si forma un protoplasto cellula integra senza parete ma di forma tonda La parete dà forma alla

cellula

PRINCIPALI COSTITUENTI ◊ ◊ ◊

Mureina o peptidoglicano parte glucidica due zuccheri acido N­acetilmuranico (NAM) e N­acetilglucosammina (NAG)

◊

parte proteica numerosi amminoacidi, anche in forma D

◊

Struttura catene lineari di zuccheri con legame glucosidico 1­4 NAG – NAM – NAG

β

Catene di cinque amminoacidi che si legano sempre al NAM

In posizione 4 e 5 c’è sempre D­alanina, gli altri tre sono variabili

◊

Le catene si legano tra di loro nella forma finale perde il quinto amminoacido

Batteri gram ­

Batteri gram +

legame peptidico diretto tra il terzo aa di una catena e il quarto aa di quella adiacente

◊ ◊

legame non diretto ponte amminoacidico tra il terzo aa e il quarto, di struttura variabile

Il lisozima attacca il legame glucosidico tra NAM e NAG NUCLEOTIDE DI PARK ◊

Molecola formata da una molecola di NAM e una uridina unite da legame fosfato “Mattone” della mureina

prodotto intermedio della via biosintetica della mureina BIOSINTESI DELLA MUREINA

◊

Produzione in due tappe il nucleotide di park è il prodotto della prima tappa Avviene nel citoplasma

Vedi appunti per la reazione

DIFFERENZE TRA GRAM E GRAM

+ ­

STRUTTURA O COMPONENTE PARETE GRAM PARETE GRAM

+ ­

Spessore 150­800 Å 80­100 Å

Lipolisaccaridi assenti presenti

Lipidi rari presenti

Acidi teicoici presenti rari

Polisaccaridi presenti assenti

Peptidoglicano 30­70% peso parete 20% peso parete

Amminozuccheri NAG­NAM NAG­NAM

Legame interpeptidico diretto raro caratteristico

Legame per interposizione di aa frequente assente

DIFFERENZE NEL COLLOCAMENTO DI MUREINA E COMPONENTI AGGIUNTIVE

◊ ◊

Gram dall’esterno peptidoglicano/spazio periplastico/membrana

+

◊

Gram membrana esterna/spazio periplastico/peptidoglicano/spazio periplastico/membrana cellulare Meno spessa, ma più variegata

­

SPAZIO PERIPLASTICO

Molto evidente nel gram­ Ridotto nel

gram+

Racchiuso tra membrana esterna (molto permeabile) e membrana cellulare (poco permeabile)

◊

Ruolo fondamentale zona tampone tra interno ed esterno dove sono svolte reazioni troppo complesse da svolgere nel citoplasma e troppo problematiche

da svolgere fuori

ACIDI TEICOICI

Tutti i polimeri di parete, membrana e capsula contenenti residui di glicerolfosfato e ribitolfosfato MEMBRANA ESTERNA

Struttura simile alla membrana cellulare

◊ ◊ ◊ ◊ ◊

Diverse componenti lipolisaccaridi lipide A ancora la membrana esterna alla mureina tossico Polisaccaridi importanti per il

sistema immunitario

◊

Porine condotti che mettono in comunicazione ambiente esterno e periplasma PARETE DI ARCHEA

◊

Pseudopeptidoglicano (pseudo­mureina) componente principale della parete

Non c’è NAM, ma NAT (acido­acetiltolosa minutonico)

◊ ◊

Gli zuccheri sono legati con legame 1­3 non attaccabile dal lisozima non sensibile agli antibiotici

β

MEMBRANA CITOPLASMATICA

◊ ◊

Essenziale in tutte le cellule separa ambiente esterno da quello interno Doppio strato fosfolipidico

spessore di circa 8 nm

Parti idrofile verso l’esterno e acidi grassi all’interno ◊

Quasi nulla diffonde attraverso questa membrana solo acqua e poche altre sostanze

◊ ◊

Struttura a mosaico­fluido presenza di proteine (transmembrana o solo su una faccia) non hanno posizione fissa Legame estere tra glicerolo e acido grasso

ARCHEA

Molecola di glicerolo attaccato all’acido grasso con legame etere

◊ ◊

Acido grasso fitanile presenza di alcune ramificazioni con significato evolutivo Glicerolo dietere

◊

Diglicerolo tetraetere l’acido grasso è il bifitanile

Alcuni archea hanno membrana a doppio strato classica

◊ ◊ ◊

disegno)

Altri membrana monostrato formata da diglicerolo tetraetere il bifitanile è totalmente unito (vedi Maggior rigidità organismi che vivono a T°

elevatissime (ipertermofili)

FUNZIONI

• ◊

Barriera di permeabilità previene dispersioni e impedisce l’accesso

• ◊

Sito di ancoraggio per proteine di trasporto

• ◊

Conservazione dell’energia origine della forza proton­motrice PERMEABILITÀ

◊

Totalmente impermeabile solo l’acqua diffonde liberamente in entrambe le direzione

Alcune molecole passano più facilmente di altre Gli ioni hanno

permeabilità molto bassa TRASPORTO

◊

Semplice associato all’energia proton­motrice

◊

Traslocazione di gruppo modifica chimica della sostanza trasportata

La sostanza è presa dall’esterno e portata dentro modificandosi lungo la strada

◊

Con il glucosio per compensare le perdite (sistema bilaterale di trasporto) viene fosforilato e rilasciato nella cellula come

glucosio 6­fosfato (bloccato nel citoplasma)

◊ ◊

Sistema ABC richiede ATP e proteine di legame avviene nel periplasma

Può essere uniporto, simporto o antiporto FUNZIONI DELLA

MEMBRANA BATTERICA

Separazione fisica tra esterno ed interno

Formazione del setto nella divisione delle cellule figlie e del genoma

◊ ◊

Membrana fotosintetica lamelle di ripiegamenti nel citoplasma dove ancorano gli enzimi fotosintetici Permeabilità regola l’ingresso delle

sostanze ◊

Mantiene vicini enzimi correlati (es. enzimi della stessa via metabolitca) compartimentalizzazione della cellula

NUCLEOIDE

Acido nucleico presente nella cellula batterica ◊

Non c’è una disposizione precisa del DNA no nucleo

◊

Quantità di DNA in una cellula è notevole compattato all’interno della cellula

Vedi disegni

SUPERAVVOLGIMENTO DEL DNA

DNA circolare a doppio filamento e superavvolto

◊ ◊

Quando è di grosse dimensioni domini superavvolti zone della molecola chiuse da proteine (istonsilli) Sequenziare il DNA batterico oggi è

◊

molto semplice abbiamo a disposizione molte sequenze

◊ ◊

E. coli organismo modello doppio filamento chiuso covalentemente

Una sola molecola di DNA circolare contiene tutte le info geniche

Non è così per tutti i batteri

CARATTERISTICHE DEI CROMOSOMI BATTERICI E ARCHEA

Paragonati a genomi di organismi unicellulari eucarioti

◊ ◊

Numero di cromosomi essenzialmente uno tutto il DNA in una sola molecola

◊

Negli eucarioti più numerosi (lievito ha 16 cromosomi)

◊ ◊

Alcune eccezioni anche in batteri e archea microrganismi con più di un cromosoma Struttura lineare negli eucarioti

◊ ◊

Circolare nei procarioti forma più comune alcune eccezioni di procarioti con cromosoma lineare Il lineare ha replicazione più

◊

complessa (problema di formare due molecole identiche telomeri) Nel circolare la replicazione è più semplice

◊

Dimensioni tutte molecole a doppio filamento

◊

Molto variabile compreso tra 0,58 mb e 8,66 mb nei procarioti (generalmente circa 4 mb) Negli eucarioti è molto più

◊

grande media di 12 mb

◊ ◊

Eucarioti grande quantità di