Appunti esame microbiologia

Microbiologia

La microbiologia è la scienza che studia le forme di vita microscopiche:

• Batteriologia (Procarioti: Batteri, Archea)
• Protozoologia (Protozoi)
• Micologia (Lieviti, Muffe)
• Virologia (Virus)

I procarioti costituiscono la maggior quantità di biomassa terrestre: la maggior parte degli organismi viventi sulla terra (sia in numero assoluto sia come numero di specie).

• Il numero totale di procarioti sulla Terra è dell'ordine di 5x10³⁰ cellule.
• In un grammo di terra ci possono essere anche 10¹² microrganismi.
• In un quadrato di pelle circa 1000 microrganismi e nella testa sono presenti in maggior numero.

Sono unicellulari. "Polvere eri e polvere ritornerai". Qualsiasi sistema vivente prende energia e materia dall'ambiente e le trasforma in cellule. Tale processo non può andare avanti all'infinito perché le risorse utilizzate si esaurirebbero. La disponibilità non infinita delle risorse è risolta con il "tornar polvere": morte e riciclo della materia di cui un organismo è composto. I microrganismi svolgono un ruolo predominante e insostituibile in questa operazione indispensabile affinché la vita continui.

Differenze tra cellule procariotiche e cellule eucariotiche

Un antibiotico è una sostanza capace di uccidere il batterio senza ledere al paziente e alle cellule del suo organismo. La possibilità di agire in questo modo è legata alla differenza morfologica e fisiologica tra le cellule procariotiche ed eucariotiche; ricordiamo in particolare che:

Una cellula procariotica

• Presenta nucleo non definito e un unico cromosoma.
• Ha una membrana citoplasmatica rivestita da una parete cellulare; in realtà fanno eccezione i micoplasmi che non presentano tale parete.
• Il DNA spesso è organizzato in plasmidi.
• Presentano ribosomi 70s che si collocano nel citoplasma.

Cellula eucariotica

• Ha un nucleo ben definito contenente diversi cromosomi.
• Ha una membrana citoplasmatica che rappresenta il limite tra la cellula e l'ambiente esterno.
• Il DNA si colloca in organelli interni alla cellula.
• Presentano ribosomi 80s che si collocano associati al reticolo endoplasmatico.

Le differenze tra i due tipi di cellule sono alla base della funzionalità selettiva del farmaco: la struttura esterna dei due tipi di cellule presenta delle differenze la cui presenza è alla base della capacità di attacco da parte di molecole antibiotiche.

La streptomicina, il secondo antibiotico utilizzato, attacca i ribosomi batterici impedendo la sintesi proteica.

Batteri

Si tratta degli organismi unicellulari più comuni in natura, tali cellule sono caratterizzate da forme diverse, possiamo dire che morfologicamente distinguiamo:

• Sferica: cocchi (Staphylococcus spp., Streptococcus spp.)
• Cilindrica: bacilli (Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa)
• Corta e rigonfia: coccobacilli
• Ricurva: vibrioni (Vibrio cholerae)
• Spirale: spirilli (Spirillum)
• A molla: spirochete (Borrelia, Treponema)
• Filamentosa: (Streptomyces)
• Variabile: pleomorfi (Bacteroides, Corynebacterium)

L'organizzazione cellulare dipende dalla modalità di divisione e dai rapporti che le cellule figlie mantengono tra loro dopo la divisione:

• Cocchi:
  • Singoli
  • Diplococchi: in coppia (Neisseriaceae)
  • Catene (Streptococcus)
  • Tetradi (gruppi di 4 cellule)
  • Sarcina (forma cubica, formata da 8-64 cellule)
  • Ammassi (clusters) irregolari (Staphylococcus)
• Bacilli:
  • Catene (streptobacilli) (Bacillus anthracis)
  • Palizzata (Corynebacterium)

I batteri strutturalmente si possono dividere in gram positivi e gram negativi sulla base di alcune differenze strutturali fondamentali, in linea generale possiamo dire che:

• I batteri sono isolati dall'ambiente esterno per la presenza di:
  • Membrana plasmatica rivestita di parete cellulare al di fuori della quale si può trovare una capsula batterica.
• Un batterio può presentare inoltre:
  • Fibrie o pili.
  • Flagelli.
• All'interno della cellula si colloca il cromosoma circolare del batterio immerso nel citoplasma.

Possiamo individuare tra le strutture che caratterizzano il batterio alcune componenti fondamentali e alcune componenti facoltative dove le prime sono i bersagli tipici degli antibiotici:

Componenti essenziali

• La parete cellulare (caratteristica del batterio ma non dei micoplasmi).
• La membrana plasmatica.
• Il citoplasma, che deve essere isolato.
• Area nucleare, che interessa in particolare antibiotici che agiscono sul DNA del batterio.
• Ribosomi.

Componenti facoltative

• La capsula batterica: si tratta di una componente facoltativa, alcuni batteri, quindi, non la presentano; si tratta in ogni caso di una componente molto significativa: la presenza della capsula dà al batterio una notevole capacità di adesione, tale struttura presenta inoltre una elevata attività antifagocitica.
• Flagelli
• Fimbrie: sono essenziali soprattutto per l'adesione alle mucose dell'organismo ospite.
• Plasmidi che sono dei segmenti di DNA circolari.
• Inclusioni.

Membrana citoplasmatica procariotica

• Caratteristiche principali:
• Doppio strato fosfolipidico in cui generalmente il colesterolo è assente e al suo posto sono presenti composti derivati dagli stessi precursori del colesterolo denominati opanoidi che servono per conferire rigidità.
• Svolge molteplici funzioni metaboliche (respirazione, fotosintesi, sintesi di costituenti cellulari, …).
• La membrana degli Archaea contiene catene di idrocarburi anziché acidi grassi.

La membrana cellulare si trova tra la parete e il citoplasma, ed è molto simile a quella delle cellule eucariotiche. È costituita da un doppio strato di molecole lipidiche tra le quali sono inserite delle molecole amfipatiche proteiche, responsabili delle diverse funzioni della membrana. Le proteine integrali o intrinseche o interne (70-80%) difficilmente separabili dalla membrana. Le proteine periferiche estrinseche o esterne (20-30%) poste più esternamente sono moderatamente adese alla membrana e quindi facilmente removibili. Nei batteri sono presenti gli opanoidi che stabilizzano la struttura della membrana e sono fatti da molecole simili allo sterolo. La membrana ha un'organizzazione a mosaico fluido: doppio strato fosfolipidico all'interno del quale fluttuano le proteine. La membrana citoplasmatica dei procarioti ha un contenuto maggiore di proteine, rispetto agli eucarioti perché svolge funzioni molteplici che negli eucarioti sono dislocate sulla membrana degli organelli. Una particolarità di queste membrane è il mesosoma: si tratta di un addensamento di membrane che si sovrappongono tra loro formando tale struttura che è fondamentale in quanto rappresenta il punto di ancoraggio dell'acido nucleico: il mesosoma è l'analogo batterico del fuso mitotico delle cellule eucariotiche in quanto consente la separazione del genoma durante la replicazione. Oltre a questo fondamentale compito, il mesosoma:

1. Incrementa la superficie della membrana e quindi le capacità metaboliche della cellula.
2. È sede di processi ossidativi.
3. Regola la secrezione di esoenzimi, tossine, polimeri.

Fosfolipidi

La membrana citoplasmatica è costituita da un doppio strato di fosfolipidi amfipatici cioè molecole costituite da un’estremità apolare (acidi grassi) e una polare (glicerolo). In ambiente acquoso le molecole fosfolipidiche formano un doppio strato in cui le code idrofobe si proiettano verso il centro mentre le porzioni idrofile sono rivolte verso l’esterno. Nei batteri gram positivi i lipidi di membrana sono di diversi tipi. Nei batteri gram negativi generalmente sono costituiti da fosfatidiletanolammina. Negli eucarioti sono formati da fosfatidilcolina. Principali fosfolipidi:

• La fosfatidil serina è un fosfolipide complesso costituito da glicerolo legato covalentemente a due acidi grassi mediante legame estere e a livello del terzo carbonio ad una serina. Ne risulta una molecola bipolare con un terminale idrofobo (le catene di idrocarburi di acidi grassi) ed uno idrofilo (glicerol fosfatidil serina).
• La fosfatidiletanolammina è composta da un glicerolo esterificato nei primi due atomi di carbonio con due acidi grassi e nel terzo atomo di carbonio con una molecola di acido fosforico (il legame in quest'ultimo caso viene detto fosfoestere); inoltre all'acido fosforico è ulteriormente esterificato una molecola di etanolammina la quale è composta da due atomi di carbonio con un gruppo alcoolico e un gruppo amminico. Si trova solitamente esposta sul lato interno della membrana plasmatica quindi verso il citoplasma.

Steroli e opanoidi

Gli steroli sono generalmente assenti nei batteri. Molecole simili agli steroli chiamate opanoidi (sintetizzati dai precursori del colesterolo) sono presenti nella membrana citoplasmatica di numerosi batteri e possono svolgere una funzione simile a quella degli steroli nelle cellule eucariotiche, queste ultime, come i micoplasmi, non posseggono parete cellulare ed hanno bisogno di maggiore protezione nelle loro membrane. Pertanto gli opanoidi stabilizzano la membrana citoplasmatica rendendola meno flessibile. Gli opanoidi risultano assenti negli Archaea. Il diploptene è un opanoide. La struttura generale della membrana citoplasmatica è stabilizzata da interazioni idrofobiche e da cationi divalenti (Mg²⁺, Ca²⁺) che stabiliscono interazioni ioniche con le cariche negative dei fosfolipidi.

Archaea

La membrana citoplasmatica e i lipidi degli Archea hanno caratteristiche chimiche uniche. Diversamente da quelli dei batteri e degli eucarioti, nei quali legami estere uniscono gli acidi grassi al glicerolo, gli Archaea possiedono legami etere tra il glicerolo e le loro catene laterali idrofobiche. Inoltre, anziché contenere acidi grassi hanno catene laterali costituite da unità ripetute di isoprene, un idrocarburo a catena ramificata. Nonostante queste peculiarità viene comunque mantenuta la struttura generale della membrana, ovvero una superficie interna e una esterna entrambe idrofiliche e una parte interna idrofobica, come nei batteri e negli eucarioti. Le classi più rappresentative dei lipidi presenti negli Archea sono i dieteri e i tetraeteri del glicerolo.

Esistono 2 tipi di membrana:

• Doppio strato costituito da due foglietti di isoprenoidi uniti al glicerolo con legami etere (dieteri di glicerolo) → idrocarburo fitanile.
• Singolo strato che consiste di tetraeteri di glicerolo → idrocarburo bifitanile.

Gli Archaea che vivono a temperature moderate possono avere membrane miste. L'anello ciclopentanico nella membrana degli Archaea ha un ruolo analogo a quello degli opanoidi. Le membrane costituite da un monostrato di difitanile (tetraeteri di glicerolo) sono uniche tra i viventi:

• Sono più rigide.
• Si ritrovano negli ipertermofili.
• Controllano la fluidità variando il numero di anelli ciclopentanici.

Bifitano è un tetraetere del glicerolo: le catene di fitanile (composto da 4 catene di isoprene) sono legate covalentemente alle catene laterali di glicerolo. L’introduzione di anelli pentaciclici riduce la lunghezza della catena di idrocarburi.

Differenze tra la membrana dei batteri e degli Archaea

Negli Archaea:

1. Il fosfato è esterificato con il glicerolo in C1 (L-glicerolo).
2. Le catene alifatiche sono costituite da isoprenoidi (e non acidi grassi).
3. Il gruppo alcolico terminale è condensato con il glicerolo tramite legame etere e non estere.

Il legame estere lega gli acidi grassi al glicerolo nei fosfolipidi della membrana dei batteri. Il legame etere lega il fitano e il bifitano al glicerolo nella membrana degli Archaea. I lipidi degli Archaea formano un’impalcatura rigida che mantiene una notevole impermeabilità anche alle alte temperature grazie ad una minore mobilità degli isoprenoidi.

Fluidità delle membrane

Gli acidi grassi presenti nella membrana dei batteri sono in maggioranza saturi. Il rapporto acidi grassi saturi/insaturi influenza il grado di fluidità della membrana: i doppi legami presenti nelle catene lipidiche ne diminuiscono la viscosità. Il grado di saturazione può variare in risposta a stimoli ambientali.

Membrane fotosintetiche di un batterio fototrofo

Ampie introflessioni per aumentare la superficie della membrana in modo da intensificare le attività metaboliche fotosintetiche.

Funzioni della membrana citoplasmatica

• Barriera con permeabilità selettiva:
• Per diffusione: acqua, ossigeno, anidride carbonica, ammoniaca, urea, glicerolo, etanolo.
• Trasporto attivo di nutrienti e sostanze di scarto.
• Produzione di energia:
• PMF
• Biosintesi dei componenti cellulari:
• Fosfolipidi, peptidoglicano (alcuni passaggi), lipopolisaccaride (alcuni passaggi).

Citoplasma

Il citoplasma batterico è estremamente semplice: senza nucleo e senza la maggior parte degli organuli cellulari. Esso è composto principalmente da acqua; in esso troviamo inoltre disciolti ioni e sostanze inorganiche come sodio, calcio, ferro (ecc.) e sostanze organiche. Le sostanze organiche presenti nel citoplasma contribuiscono ad innalzare la pressione osmotica intracellulare, maggiore nei batteri gram+ e minore nei gram-. Nel citoplasma troviamo delle “inclusioni” (servono per ridurre la pressione osmotica) ovvero strutture granulari che corrispondono ad accumuli di materiale di riserva, come:

• Carbonio
  • Acido poli-b-idrossibutirrico
  • Glicogeno
• Polifosfati
• Granuli di zolfo
• Magnetosomi
• Carbossisomi

Poli-b-idrossibitirrato: I monomeri di acido butirrico sono legati tramite legame estere a formare lunghi polimeri di PHB che si aggregano in granuli. I granuli sono delimitati da membrana (monolayer). I granuli di PHB vengono sintetizzati quando il C è in eccesso nell'ambiente e sono utilizzati come basi di C nei processi biosintetici o per produrre ATP.

Glicogeno: Polimero del glucosio utilizzato come fonte di C.

Polifosfati: Possono essere degradati e usati come sorgente di fosfati per la sintesi di acidi nucleici e fosfolipidi necessari per la crescita. Sono polimeri lineari di fosfato inorganico.

Cianoficina: Presente solo nei cianobatteri. Polimero di acido aspartico e arginina, in quantità pressoché uguale. Fonte di azoto.

Carbossisomi: Microcompartimenti cellulari contenenti enzimi per la fissazione della CO₂ osservati per la prima volta nei cianobatteri.

Magnetosomi:

• Corpi di inclusione contenenti magnetite (Fe₃O₄).
• In ambienti ricchi di zolfo possono contenere greigite (Fe₃S₄) o pirite (FeS₂).
• Delimitati da membrana contenente un monostrato di fosfolipidi e proteine per la precipitazione a magnetite dello ione ferrico (Fe³⁺) trasportato attraverso la cellula in forma solubile.

Consentono l'orientamento della cellula in un campo magnetico (magnetotassi).

Vescicole gassose

Organi di galleggiamento lungo la colonna d'acqua (in alto e in basso). Struttura proteica. Impermeabili all'acqua ma penetrabili dai gas. Diminuiscono la densità cellulare aumentando la capacità di galleggiare. Tipiche nei cianobatteri.

• GvpA è una piccola proteina idrofobica e rigida (resistenza alla elevata pressione esercitata all'esterno); costituisce il 97% delle proteine totali delle vescicole gassose.
• GvpC serve per rafforzare l'involucro composto da GvpA; presente in quantità inferiore.

Fioritura di batteri purpurei sulfurei in una sorgente sulfurea. I batteri crescono vicino al fondo della polla sorgiva e vengono a galla quando sono disturbati grazie alle loro vescicole gassose.

Parete degli Archaea

Gli Archaea sono organismi particolari, racchiusi in un dominio a sé. Gli Archaea si differiscono dagli Eubatteri, oltre che per la membrana plasmatica, anche per altre caratteristiche come la parete.

Pseudopeptidoglicano

Gli Archaea non contengono peptidoglicano; in alcuni casi è presente uno pseudopeptidoglicano: un polimero che assomiglia al peptidoglicano perché costituito da ripetizione di unità monomeriche. L'unità monomerica dello pseudopeptidoglicano è caratterizzato dalla presenza di due aminozuccheri: N-acetil-glucosammina (NAG) e acido N-acetiltalosaminuronico (NAT). Nel monomero dello pseudopeptidoglicano è presente una catena peptidica di quattro amminoacidi, tutti in configurazione L. Il peptidoglicano e lo pseudopeptidoglicano sono esempi di evoluzione convergente: la struttura degli enzimi che sono coinvolti nei processi di biosintesi del peptidoglicano e dello pseudopeptidoglicano, non hanno alcuna omologia tra loro. Lo pseudopeptidoglicano è una struttura presente solo in una minoranza di Archaea, la maggior parte degli Archaea possiede un involucro proteico denominato S-layer.

S-layer (surface layer)

Tipo di parete presente in quasi tutti gli Archaea noti ma anche in molti batteri sia G+ che G-. Costituito da un reticolo bidimensionale di subunità proteiche o glicoproteiche che si autoassemblano con simmetria esagonale, tetragonale o trimerica a seconda del numero e della struttura delle proteine (o glicoproteine) che lo compongono: nella maggior parte dei casi c'è una singola proteina associata alla membrana citoplasmatica. Essendo ampiamente diffuso e con composizione relativamente semplice, l'S-layer potrebbe rappresentare la forma più primitiva di parete cellulare.