Appunti di microbiologia

MICROBIOLOGIA GENERALE

L’importanza della Microbiologia

I microbi possono causare malattie che colpiscono l’uomo, il regno animale e vegetale, ma

sono anche essenziali per la vita ad es per la fertilizzazione del suolo, la produzione e

conservazione degli alimenti, e sono componenti fondamentali dell’organismo (microbiota).

I settori fondamentali della Microbiologia sono:

Microbiologia medica,

Microbiologia dell’acqua,

microbiologia dell’aria,

microbiologia industriale,

microbiologia degli alimenti

microbiologia del suolo.

Microbiologia medica si divide in:

BATTERIOLOGIA

VIROLOGIA

MICOLOGIA

Cosa sono i microrganismi?

I microrganismi sono definiti micro perché sono così piccoli da non poter essere osservati ad

occhio nudo ( minori di 0,1 mm)

ma possono essere osservati solo dal microscopio, infatti i microrganismi cellulari possono

essere osservati solo tramite un microscopio ottico che li suddivide in due diverse strutture:

procarioti si intendono i batteri, e per eucarioti intendiamo i miceti e i protozoi.

Al contrario i microrganismi sub-cellulari possono essere individuati solo tramite un

microscopio elettronico, e si intendono i virus e i viroidi.

La microbiologia medica si divide in BATTERIOLOGIA, e VIROLOGIA, ed in MICOLOGIA.

Nel 1900 attraverso lo studio della microbiologia si ha una riduzione della mortalità da

malattie infettive grazie alla scoperta e all’evoluzione di antibiotici e vaccini, ma ancora oggi

purtroppo le malattie infettive sono rappresentate nella “top ten” delle cause di morte

soprattutto nei paesi in via di sviluppo, perché i microrganismi sono in evoluzione e così

facendo si vanno a creare nuovi ceppi resistenti alle terapie antibiotiche e farmacologiche.

Attraverso delle ricerche si è arrivato ad identificare i nuovi virus respiratori negli ultimi 20

anni, che sono:

nel 2003 il SARS-CoV

nel 2009 il IV-A/pH1N1

nel 2012 il MERS-CoV

nel 2013 il IV-A/H7N9

nel 2019 il SARS-CoV-2

Si definisce infezione emergente un’infezione di nuova comparsa nella popolazione

umana: l’AIDS, la febbre di West Nile,

la SARS sono esempi di malattie emergenti.

Un’infezione già esistita in passato, della quale si registra un rapido incremento

di incidenza o della sua distribuzione geografica, viene invece

definita infezione riemergente; in questo gruppo rientrano

le malattie che per un periodo sono apparse sotto controllo, ma nell’epoca attuale sono

tornate a rappresentare una minaccia in vaste aree del mondo: tra queste per es la

tubercolosi e il morbillo.

CLASSIFICAZIONE DEGLI ESSERI VIVENTI

Criteri di classificazione

La sistematica utilizza 7 raggruppamenti detti categorie sistematiche.

Le categorie sistematiche sono ordinate in senso gerarchico dalla più grande alla più

piccola.

Ogni microrganismo ha una sua forma e vengono suddivisi in 4 categorie:

-i Macro parassiti, che sono organismi pluricellulari come ad es. i vermi o gli acari;

-i Miceti e protozoi che sono organismi unicellulari e posseggono una struttura cellule molto

complessa;

-poi i batteri che possiedono una struttura cellulare più semplice.

-i virus che sono formati da una molecola di acido nucleico più le proteine.

Avendo forme e dimensioni differenti ogni essere vivente viene classificato e descritto in

questo modo partendo dal REGNO, PHYLUM, dalla CLASSE, dall’ORDINE, dalla

FAMIGLIA, dal GENERE e dalla SPECIE: un esempio è quello del PROTEOBACTERIA:

• Regno Bacteria

• Phylum Protebacteria

• Classe Gammaproteobacteria

• Ordine Enterobacterales

• Famiglia Enterobacteriaceae

• Genere Escherichia

• Specie E. Coli (i 7 raggruppamenti)

Abbiamo diverse strutture dei microorganismi: i batteri, i virus, i protozoi e la cellula

eucariote.

CARATTERISTICHE DEI MICRORGANISMI CELLULARI (BATTERI )

I batteri possiedono la capacità di riprodursi e di assimilare sostanze alimentari e di

metabolizzarle per ricavarne energia ed accrescersi inoltre sono in grado di espellere

prodotti di rifiuto.

I batteri possono subire mutazioni e adattarsi a cambiamenti che insorgono

nel loro ambiente. Riesce inoltre a modificare la propria genetica con i suoi

simili, scambiando così informazioni.

Microrganismi e ospite

Esistono diverse classificazioni di batteri, in base al loro lavoro svolto:

SAPROFITI: specie che vivono nell’ambiente senza contatti con L’uomo

COMMENSALI: Specie che vivono su cute e mucose umane senza

provocare alcun danno, se anche l’ospite è avvantaggiato simbiosi

mutualistica.

PATOGENI: Specie che, invadendo l’organismo ano e moltiplicandosi al suo

interno, provocano l’insorgenza di malattie (i patogeni opportunisti causano

malattia solo in particolari condizioni)

MICRORGANISMI CELLULARI: PROCARIOTI ED EUCARIOTI DIFFERENZE:

Come si osserva la maggior differenze da

una cellula ECAURIOTA e una

PROCARIOTA sono:

che quella EUCARIOTA ha una struttura più

complessa, possiede un NUCLEO,

L’APPARATO DI GOLGI, i MITOCONDRI,

invece la cella PROCARIOTA ha una

struttura molto più semplice, e soprattutto

non possiede il NUCLEO.

ORGANIZZAZIONE DELLA CELLULA BATTERICA

IL CROMOSOMA BATTERICO

Il cromosoma batterico possiede una singola molecola di DNA con struttura

circolare raggomitolata e immersa nel citoplasma ed considerato il

depositario dell'informazione genetica cellulare.

CITOPLASMA

Nel citoplasma chiamato pure “Il citosol” batterico è privo di mitocondri, cloroplasti,

ergastoplasma e sistema vacuolare, ma sono presenti ribosomi e granuli di varia natura

(Inclusioni citoplasmatiche).

RIBOSOMI:

I ribosomi sono particelle citoplasmatiche che permettono la sintesi proteica. Sono composti

dal 60% da RNA e dal 40% da proteine, hanno costante di sedimentazione di 70S. Sono più

piccoli dei ribosomi eucariotici e sono composti di una subunità minore 30S e di una

maggiore 50S.

INCLUSIONI CITOPLASMATICHE: GRANULI:

Nel citoplasma troviamo una serie di GRANULI che a loro volta sono

suddivisi in varie categorie ed ognuno di loro ha un compito, i GRANULI di

GLICOGENO hanno il compito di mantenere le riserve di glucosio, i

GRANULI MATACROMATICI mantengono le riserve di fosfato, e producono

ATP che è anche nei batteri è la moneta di scambio energetico, i GRANULI

LIPIDI che sono polimeri dell’acido beta-idrossi-butirrico ed hanno il compito

di conservare l’energia, infine i GRANULI di ZOLFO chiamati pure

solfobatteri e i GRANULI di FERRO chiamati pure ferrobatteri.

PRINCIPALI DIFFERENZE FRA EUCARIOTI E PROCARIOTI

Membrana cellulare

Doppio strato fosfolipidico ( con i gruppi idrofobici rivolti all’interno e quelli idrofili all’esterno) nel quale

sono immerse le diverse proteine e piccole quantità di carboidrati.

MESOSOMA

Mesosoma è un'invaginazione della

membrana citoplasmatica di notevoli

dimensioni, di forma irregolare, che svolge una funzione di guida nella divisione cellulare.

Funzioni della membrana cellulare

Ha il compito di Contenere il citoplasma, deve trasportare i cataboliti all’esterno e di

sostanze nutritive all’interno attraverso o la diffusione passiva o il trasporto attivo. Ha il

compito di produrre l’energia infatti è la sede degli enzimi della catena respiratoria per la

fosforilazione ossidativa. Inoltre la membrana cellulare de permettere pure degli scambi con

ambiente extra-cellulare, sempre però mantenendo la stabilità osmotica della cellula, inoltre

deve sintetizzare i peptidoglicani (zuccheri molto complessi), che si legano come una rete

per formare la parete cellulare.

PARETE CELLULARE

La parete cellulare deve mantenere forma e rigidità della cellula e proteggere dai danni

meccanici e dalla lisi osmotica questo è possibile grazie ad un componente fondamentale

che è un polimero detto

peptidoglicano.

I peptidoglicani formano la parete cellulare, si legano tra loro come a formare una rete.

Parete cellulare (caratteristiche generali)

-Dalla parete dipendono molte caratteristiche tassonomiche dei batteri: forma, caratteristiche

di crescita, specificità antigienica.

-Si visualizza al microscopio mediante colorazioni specifiche.

La maggior parte dei batteri possono essere suddivisi in GRAM POSITIVI O GRAM

NEGATIVI in base alla struttura della parete.

COLORAZIONE DI GRAM

Per la colorazione delle diverse tipologie di batteri si adoperano delle procedure in ordine:

1. Fissare le stiscette col calore,

2. Coprire con cristalvioletto per 1-2 min,

3. Lavare con acqua.

4. Non asciugare

5. Coprire con la soluzione iodio-iodurata

di Lugol per 1- 2 min.

6. Lavare con acqua. Non asciugare

7. Decolorare per 10 sec con alcool-acetone.

8. Lavare con acqua. Non asciugare

9. Coprire con safranina (2.5% in alcool 95%) per 1-2 min.

10. Lavare con acqua e lasciare asciugare

I batteri Gram Positivi appariranno Viola,

I batteri Gram Negativi appariranno Rossi BATTERI GRAM negativi:

FUNZIONI MEMBRANA ESTERNA:

• diffusione passiva: presenza di canali detti

"porine" che permettono il passaggio di zuccheri,

aminoacidi e ioni minerali.

• diffusione attiva proteine carrier per molecole di

maggiore dimensione.

La membrana esterna dei batteri Gram negativi ha

una struttura bilaminare con una organizzazione

asimmetrica cioè il foglietto esterno è costituito da

uno strato complesso denominato LPS “lipopolisaccaride”

IL METABOLISMO BATTERICO

Il metabolismo batterico è l’insieme dei processi chimici (catabolici e anabolici) che i batteri

svolgono all’interno della cellula al fine di produrre energia e sostanze necessarie alla

propria sopravvivenza; il catabolismo consiste nella scissione di composti organici (da

composti complessi a composti semplici) con conseguente produzione di energia, mentre

l’anabolismo consiste nella sintesi di composti complessi grazie al consumo di energia.

I batteri possono essere autotrofi (non presenti nel nostro organismo) o eterotrofi. Gli

autotrofi funzionano in modo simile alle piante: riescono a prendere una sostanza

inorganica (tipicamente CO2) come fonte di carbonio e a produrre molecole organiche,

fissando la CO2 atmosferica grazie all’energia luminosa. Questi batteri sono fotosintetici (o

fotoautotrofi) e la maggior parte vive nell’acqua, quelli che invece vivono nel terreno sono

detti chemiosintetici (o chemoautotrofi) e producono energia grazie all’ossidazione di

composti inorganici diversi dalla CO2, come azoto (batteri nitrificanti), zolfo (solfobatteri) e

ferro (ferrobatteri).

Gli eterotrofi sono batteri che ottengono energia dall’ossidazione di sostanze organiche

preformate; dopodiché attraverso il catabolismo, questa energia viene accumulata e usata

durante i processi anabolici grazie ai quali vengono prodotte sostanze complesse che

servono a tutti i processi all’interno della cellula batterica.

La moneta di scambio energetica che consente la formazione di legami ad alta energia tra i

fosfati è la molecola di ATP.

Metabolismo eterotrofo

Il metabolismo eterotrofo comprende 2 processi principali: la respirazione e la

fermentazione.

Respirazione:

La respirazione è la scissione completa di una molecola organica complessa (come il

glucosio) accompagnata da una scissione completa di atomi di carbonio con conseguente

produzione di CO2 e con l’ossigeno come accettore finale.

glucosio + 6O2--> 6CO2 + 6H2O + energia (rilascio di energia che poi viene

immagazzinata sottoforma di ATP)

Tipi di batteri coinvolti nella respirazione:

- AEROBI OBBLIGATI: esigono ossigeno alla pressione atmosferica

- AEROBI o ANAEROBI FACOLTATIVI: si moltiplicano sia in presenza che in

assenza di ossigeno

- MICROAEROFILI: esigono ossigeno a pressione inferiore a quella atmosferica

- ANAEROBI OBBLIGATI: si moltiplicano solo in assenza di ossigeno I batteri anaerobi

devono fare a meno dell’ossigeno in qualsiasi momento del loro metabolismo perché

l’ossigeno per loro è tossico: essi respirano scindendo la molecola di

glucosio in atomi di CO2 però senza ossigeno come accettore finale di elettroni quindi

usando un’altra molecola inorganica (come lo zolfo o l’ammonio).

Fermentazione:

La fermentazione invece non prevede una scissione completa del glucosio e quindi alla fine

della fermentazione avremo diverse sostanze organiche prodotte come prodotto di scarto

dei batteri; a differenza della respirazione, in questo processo non si arriva al passaggio

finale in cui l’ossigeno è l’accettore finale degli elettroni, ma ci può essere invece un

composto organico intermedio che deriva dalla scissione incompleta del glucosio (durante la

quale viene prodotta meno energia).

Tipi di fermentazione:

- LATTICA: porta alla formazione di acido lattico ed è tipica dei lactobacilli (hanno

come metabolismo la fermentazione del glucosio che diventa acido lattico) e degli

streptococchi (possono sia respirare quindi scindere completamente il glucosio in

CO2 e ossigeno, sia portare alla fermentazione e alla scissione incompleta in acido

lattico)

- ALCOLICA: porta alla formazione di alcol etilico

- FORMICA: o acido-mista, è tipica degli enterobatteri

La respirazione è molto più efficiente dal punto di vista energetico poichè produce più

molecole di ATP, ma la fermentazione può essere utilizzata dai batteri come soluzione

alternativa ad esempio in carenza di ossigeno oppure come prima scelta nel caso in cui si

siano adattati così. Quindi di solito il glucosio viene scisso in 2 molecole di piruvato, il quale

segue poi vie metaboliche diverse per essere ulteriormente trasformato in modi diversi tra

specie batteriche (ad es può essere convertito in acido lattico, in acido folico ecc.). questo

tipo di prodotto finale della crescita batterica può servire a distinguere le varie specie

batteriche tra loro. Il glucosio viene scisso prima in piruvato e poi in altri tipi di molecole

finali.

Come crescono i batteri:

I batteri crescono molto velocemente: si raddoppiano poiché crescono separando la cellula

madre in due cellule figlie (questo processo avviene in pochi minuti o in poche ore) quindi

dopo il primo tempo di adattamento al terreno di crescita in cui vengono messi, c’è una fase

esponenziale di crescita poiché raddoppiano il loro numero in pochissimo tempo. Quando i

nutrienti a loro disposizione diminuiscono, questa fase di crescita rallenta e quando i

nutrienti saranno completamente terminati moriranno.

Come si duplicano i batteri:

SCISSIONE BINARIA

1. si duplica il cromosoma batterico

2. la cellula, che è momentaneamente diventata diploide, subisce la formazione di un

setto dato dall’invaginazione della membrana citoplasmatica

3. si forma una divisione centrale della cellula madre di cui è stato duplicato il DNA in

due cellule figlie solitamente identiche

La scissione binaria può essere completa (dà origine a due cellule che si allontanano tra

loro) o incompleta (le cellule figlie rimangono, almeno per un certo tempo, attaccate tra loro

e questo genera, a livello di popolazione batterica, delle formazioni che possono essere utili

per l’identificazione dei batteri poiché a volte i batteri possono rimanere vicini tra loro).

MORFOLOGIA DELLA CELLULA BATTERICA

Forma:

- sferica (cocchi)

- cilindrica/bastoncellare (bacilli)

- curvata (vibrioni, spirilli)

Streptococcus pneumoniae: ha circa due milioni di paia di basi e quindi circa 2100 geni

codificanti.

Escherichia Coli: ha un genoma più grande, quasi 5 milioni di paia di basi e quindi circa

4800 geni codificanti.

Morfologia dei cocchi: gruppi di otto

le cellule figlie si

separano completamente

dalla madre

i batteri si accoppiano

a due a due

a catena

gruppi di quattro

a grappolo

Morfologia dei bacilli:

GENETICA BATTERICA

Branca della batteriologia che si occupa di capire come i batteri scambiano tra loro le

informazioni genetiche.

Il depositario principale dell’informazione genetica nella cellula batterica è il cromosoma

aploide, che può avere lunghezze diverse, è avvolto e contiene 3000 geni. I plasmidi sono

filamenti circolari di DNA molto piccoli, dotati di replicazione autonoma rispetto al

cromosoma batterico (non si dividono 1 sola volta ma possono dividersi autonomamente

fino a 10-20 volte): questo perché contengono un’origine di

replicazione che viene aperta quindi il DNA polimerasi e i batteri si

legano e codificano per catene di DNA.I plasmidi possono

contenere fino a 100 geni e normalmente sono extracromosomiali,

cioè fuori dal cromosoma batterico; in alcuni casi però si possono

anche integrare nel genoma batterico e poi uscire fuori

(episomi): in questo caso vengono trasmessi direttamente alla

cellula figlia durante la scissione binaria. L’importanza dei plasmidi

è data dal fatto che essi sono il mezzo più frequente con cui i

batteri si scambiano sequenze codificanti, cioè geni, che non sono

indispensabili alla vita del batterio poiché tutto ciò che è

indispensabile è contenuto nel cromosoma batterico, però sono un

qualcosa in più che aiuta il batterio a sopravvivere in un ambiente

ostile oppure a produrre fattori che per noi sono nocivi, cioè i fattori

di virulenza: per es alcuni episomi o plasmidi possono produrre

tossine (proteine tossiche per l’organismo che espletano un’azione dannosa sui tessuti

oppure perché attivano un’eccessiva risposta immunitaria) o geni di resistenza agli

antibiotici.

Moltiplicazione

- SCISSIONE (vedi scissione binaria)

- GEMMAZIONE: formazione di una cellula figlia molto più piccola della cellula madre

che rimane come una protuberanza e che si stacca quando la replicazi