Appunti di microbiologia applicata

NUTRIMENTI PER LA CRESCITA DELLA POPOLAZIONE

I batteri per crescere hanno bisogno di numerosi fattori energetici e materiali. In base alle condizioni richieste e compatibili con la loro crescita i microrganismi vengono raggruppati e definiti.

I fattori materiali necessari per la crescita sono macro-elementi, cioè componenti strutturali delle macro-molecole. Tra questi ricordiamo:

• Carbonio: ricavato da sostanze organiche (ETEROTROFI) o dalla fissazione della CO2 inorganica (AUTOTROFI);
• Azoto: ricavato da sostanze organiche (amminoacidi), da azoto inorganico combinato (NH4+) o tramite fissazione di azoto elementare;
• Fosforo e zolfo: ricavati da fosfati, solfuri, solfati o composti organici;
• Altri elementi (K, Mg, Ca, Fe, Na, Mn): ricavati da ioni metallici liberi o complessati a molecole organiche.

Alcuni batteri (AUXOTROFI) necessitano anche di alcuni fattori di crescita forniti dall'esterno (purine e pirimidine, amminoacidi, vitamine o precursori). I batteri che non...

ne hanno bisogno sono PROTOTROFI. L'energia luminosa serve agli organismi FOTOTROFI cioè quelli fotosintetici, alle alghe e alle piante (tra gli Archea, l'Halobacterium). Questi si dividono in fotoautotrofi se utilizzano la CO come fonte di carbonio oppure fotoeterotrofi se utilizzano composti organici come fonte di carbonio. L'energia chimica serve invece ai CHEMIOTROFI che possono ricavarla da composti inorganici (chemioinorganotrofi o chemiolitotrofi tra cui alcuni batterie Archea) o da composti organici (chemiorganotrofi, tra cui alcuni batteri, Archea e tutti gli eucarioti). I chemiorganotrofi possono essere a loro volta dei chemioeterotrofi se utilizzano composti organici come fonte di carbonio. Invece, i chemioinorganotrofi possono essere chemiolitoautotrofi se utilizzano la CO come fonte di carbonio oppure mixotrofi se richiedono un composto organico come fonte di carbonio.

PARAMETRI CHE INFLUENZANO LA CRESCITA

Gli organismi che dipendono dall'OSSIGENO sono

Chiamati AEROBI, mentre gli ANAEROBI si dividono in facoltativi (utilizzano ossigeno se disponibile ma possono crescere anche in assenza), obbligati (l'ossigeno è tossico) o aerotolleranti (non sono uccisi dall'esposizione all'ossigeno). I MICROAEROFILI invece richiedono ossigeno ma a concentrazioni più basse degli aerobi (0.2atm).

L'ossigeno può trasformarsi in specie reattive (acqua ossigenata, anione superossido e radicale idrossile) se viene a contatto con radiazioni ionizzanti e UV, composti chimici o antibiotici particolari oppure come sottoprodotto della respirazione cellulare. Queste specie tossiche sono forti ossidanti che inducono la formazione a catena di radicali liberi che danneggiano le molecole. Gli organismi aerobi e aerotolleranti hanno sviluppato sistemi di detossificazione, che difendono la cellula da queste specie. Per esempio, la catalasi nei batteri è un enzima che detossifica dall'acqua ossigenata (H2O2 + H2O2 → 2H2O + O2).

O^2- + O^2- → H₂O₂ + O^2-

La superossido dismutasi converte due anioni superossido (O^2- + O^2- → H₂O₂ + O^2-)

La perossidasi viene usata dai batteri che non possiedono la catalasi ma richiede un agente riducente (H₂O₂ + NADH + H⁺ → 2H₂O + NAD⁺)

Ogni organismo può crescere entro uno specifico intervallo di 2-3 unità esterne di pH. La maggior parte degli habitat naturali ha valori di pH tra 5 e 9. Gli organismi si dividono in ACIDOFILI con pH ottimale <5.5 e BASOFILI con pH ottimale >8. A loro volta poi troviamo gli ESTREMOFILI: quelli degli acidofili hanno pH ottimale <2, quelli dei basofili >10. Un esempio è l'Helicobacter pylori che sopravvive nello stomaco a pH = 1-2. Grazie all'enzima ureasi converte l'urea in ammonio, che viene secreto per tamponare il pH generando una nuvola di pH neutro attorno al batterio.

Quando la TEMPERATURA aumenta, le reazioni chimiche ed enzimatiche procedono più velocemente quindi la crescita

sarà più veloce. Per ogni organismo esistono: una temperatura minima al di sotto della quale la crescita non è possibile perché la membrana plasmatica perde la sua semifluidità rallentando i trasporti; una temperatura ottimale alla quale la crescita è più veloce; una temperatura massima oltre cui non c'è crescita perché avviene la denaturazione delle proteine, il collasso della membrana citoplasmatica e la lisi cellulare. In base alla temperatura gli organismi vengono classificati in PSICROFILI (temperature ottimali basse <15°C), MESOFILI (temperature ottimali intermedie 20-45°C), TERMOFILI (temperature ottimali alte >45°C), IPERTERMOFILI (temperature ottimali molto alte >80°C) e TERMOTOLLERANTI (sopravvivono alla pastorizzazione). Anche la DISPONIBILITÀ DI ACQUA influenza la crescita dei microrganismi. Questa viene espressa come attività dell'acqua (a = P /P con P pressione di vapor d'acqua e P pressione di vapor d'acqua di un campione di alimento).svapore di una sostanza) e dipende dalla concentrazione di soluti disciolti in essa: più la concentrazione è alta minore sarà l'acqua disponibile agli organismi. L'acqua si sposta spontaneamente da regioni dove la concentrazione di soluti è minore a zone dove è maggiore secondo il processo dell'OSMOSI. Solitamente l'acqua diffonde verso l'interno delle cellule perché può permeare liberamente attraverso le membrane. I microrganismi che vivono in ambienti con bassa concentrazione di soluti tendono ad accumulare "soluti compatibili" (che non influiscono nel processo cellulare) nel loro citoplasma per favorire l'ingresso di acqua. Gli organismi, in base alla richiesta di acqua, si dividono in: NON ALOFILI (richiedono elevata concentrazione di acqua), ALOTOLLERANTI (tollerano bassi livelli di soluti) e ALOFILI che si dividono a loro volta in deboli (richiedono concentrazioni di NaCl 1-6%), moderati (richiedono concentrazioni di NaCl 6-15%) ed

estremi (richiedono concentrazioni di NaCl 15-30%).

METABOLISMO DEI MICRORGANISMI

ENERGIA METABOLICA

La cellula batterica mantiene la propria organizzazione molecolare esopramolecolare con l'omeostasi, compie diverse operazioni ordinate (movimento e differenziamento) ed è in grado di accrescersi e riprodursi. Per compiere tutte queste azioni avvengono dunque numerose reazioni, che rientrano nel METABOLISMO della cellula, che somma le reazioni cataboliche (degradative e che portano all'approvvigionamento energetico) con quelle anaboliche (biosintetiche). Per reazioni anaboliche vengono usate energia metabolica e potere riducente, mentre i precursori metabolici vengono usati anche come intermedi nel catabolismo. Anabolismo e catabolismo si regolano in modo indipendente e integrato.

Il metabolismo può essere assimilativo o dissimilativo. Quello assimilativo riduce solo la quantità di composto necessaria per soddisfare le esigenze di nutrienti per la crescita. Quello dissimilativo,

invece, riduce una grande quantità di composto e il prodotto di riduzione viene secreto nell'ambiente. Questo tipo di metabolismo può essere compiuto solo dai procarioti. Per la biosintesi, assemblaggi, trasporti e movimento sono necessari: catalizzatori, materia, energia luminosa, energia chimica (sotto forma di composti chimici ad alta energia libera di idrolisi come l'ATP) e potere riducente (energia elettrochimica sotto forma di trasportatori mobili di elettroni). L'energia disponibile nell'ambiente esterno viene trasformata in energia metabolica da reazioni redox. Qui avviene un'ossidazione (rimozione di 1+ e - da una sostanza) e una riduzione (aggiunta di 1+ e a una sostanza): il donatore di elettroni è la sostanza ossidata e fonte di energia, l'accettore è la sostanza ridotta. La tendenza delle sostanze a fare da donatori o accettori di elettroni varia e viene misurata con il potenziale di riduzione (E) espresso in Volt. La

differenza di potenziale tra donatore e accettore ∆E = -nF∆G .0 0Maggiore è la differenza di potenziale maggiore sarà l'energia liberata.

In una redox il trasferimento di elettroni coinvolge anche degli intermediari: i trasportatori diffusibili in grado di accettare elettroni da composti che si ossidano (NAD che diventa NADH e NADP che diventa NADPH). Questi permettono a 2 sostanze che difficilmente entrano in contatto di interagire.

Vengono prodotti da reazioni di ossidazione di composti organici e inorganici oppure tramite eccitazione di elettroni da parte dell'energia luminosa catturata da clorofille e trasferimento ai trasportatori.

L'energia rilasciata nelle redox viene conservata per le reazioni cellulari sotto forma di legami fosfato ad alta energia (legami esterici o anidridici con gli atomi di ossigeno del gruppo fosfato).

Il fosfoenolpiruvato è una molecola generata nella glicolisi ad alta energia e alimenta il trasporto del glucosio nella cellula.

Inoltre conserva l'energia proveniente dal glucosio per produrre ATP. L'ATP è una molecola formata da un'adenosina legata a 3 gruppi fosfato in cui l'idrolisi di un fosfato provoca il rilascio di energia utilizzabile. Può essere prodotta con due metodi. Nella fosforilazione a livello del substrato (nella glicolisi) avviene un trasferimento di un gruppo fosfato proveniente da un intermedio ad alta energia su una molecola di ADP. L'altro metodo è sfruttando la forza protonmotrice: a livello della catena di trasporto degli elettroni, quando questi arrivano a un accettore finale si genera un gradiente protonico transmembrana ("forza protonmotrice") che viene dissipato tramite l'ATPsintasi che fa da catalizzatore per la sintesi di ATP. Nella catena di trasporto degli elettroni i trasportatori sono di diversi tipi: il complesso iniziale (NADH deidrogenasi) che trasferisce atomi di H dal NADH; i trasportatori intermedi (flavoproteine

E chinoni) che accettano e donano atomi di H; le ossidasiterminali (proteine ferro-zolfo e citocromi cioè proteine associate a gruppo emeche contiene Fe) che trasportano elettroni. Il processo di produzione dell’ATP aspese della forza protonmotrice è la FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA.

FERMENTAZIONE

La fermentazione è un meccanismo anaerobico che produce ATP sfruttando lafosforilazione a livello del substrato. È dunque un processo di ossidoriduzione diun substrato organico che avviene in assenza di accettori esterni di elettroni,che circolano in un sistema chiuso. Avviene, però, solo una parziale ossidazionedegli atomi di carbonio del composto organico quindi solo una piccola partedell’energia potenzialmente disponibile viene rilasciata.

Nella fermentazione dunque il s