Appunti Microbiologia prof.ssa Marconi Unife Scienze biologiche

Microbiologia

Microbiologia deriva da: Micros (piccolo), Bios (vita), logos (parola).

Esame di microbiologia

Esame: Scritto a domande aperte e orale.

Introduzione alla microbiologia

La microbiologia è formata da cellule; i microbi sono infatti piccoli organismi visibili solo al microscopio. Sono formati da cellule e come tali entrano a far parte di ciò che accomuna gli esseri viventi. Le cellule sono organismi viventi in quanto crescono, si duplicano e muoiono. Queste devono produrre energia quindi espletano attività metaboliche necessarie per la formazione delle loro strutture cellulari.

Noi siamo abituati a prendere in considerazione solamente organismi pluricellulari, ma anche le singole cellule hanno meccanismi di trasferimento di segnali e di comunicazione. Il batterio come cellula singola non lo troviamo da solo in natura, ma troviamo gruppi di batteri (la singola cellula batterica si può osservare in vitro).

Nel 1838-39 Schleiden e Schwann, un botanico ed uno zoologo, per primi osservarono la similarità tra tessuti animali e vegetali ed ipotizzarono che tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule. Essi credevano tuttavia alla generazione spontanea. Rudolph Virchow, nel 1858, affermò che le cellule potevano formarsi solo per divisione di una cellula preesistente.

La teoria cellulare afferma che gli organismi viventi sono formati da una o più cellule. Nasce così il concetto di cellula:

• Tutti i viventi sono formati da una o più cellule.
• Le cellule costituiscono l'unità fondamentale del singolo individuo.
• Tutte le cellule derivano da altre cellule.

Microbiologia e dimensioni degli organismi

Quello che contraddistingue diversi organismi sono le dimensioni. La microbiologia è la scienza che studia i microorganismi; essa è interessata infatti allo studio della struttura, funzione, fisiologia, e metabolismo di questi organismi. Noi studiamo il batterio, come esso può agire e come ci può essere utile (campo genetico, biotecnologie ecc).

Microbiologia significa l'utilizzo di tecniche che ci permettono di studiare questi microorganismi come la sterilizzazione e i terreni di coltura i quali ci permettono di isolare il singolo organismo per poterlo poi analizzare.

Importanza dei microrganismi

I microorganismi sono stati i primi organismi viventi presenti sulla Terra, ci hanno fornito di ossigeno (in quanto era un ambiente anaerobio) e con l'inizio di questi organismi anaerobi, attraverso i processi di metabolismo, producendo quindi ossigeno hanno dato origine all'atmosfera.

Sono gli stessi che ci danno la fertilità del suolo e permettono a quest'ultimo di essere più o meno fertile. Esistono anche piccoli organismi fondamentali per il riciclo di elementi essenziali; ma soprattutto sono importanti per l'individuo in quanto influenzano il nostro organismo sia in modo benefico ma anche con le malattie.

• I microrganismi sono coinvolti in importanti cicli della materia, trasformazioni geochimiche e processi biologici.
• Primi organismi viventi del pianeta.
• Diffusi ovunque sia possibile la vita.
• Più numerosi di qualsiasi altro organismo.
• L'ecosistema globale dipende dalla loro attività.
• Hanno un ruolo fondamentale nel riciclo degli elementi essenziali.
• Fonte di nutrienti. Alcuni capaci di fotosintesi.
• Influenzano la società umana in molti modi.

Ecologia dei microrganismi

Necessari per i cicli geochimici e la fertilizzazione del suolo. Concorrono all'equilibrio biologico sulla Terra.

• Produzione di nutrienti & energia flow.
• Decomposizione.
• Bioremediation.
• Simbiosi.

Processi essenziali per l'uomo

Vengono utilizzati come modelli sperimentali per lo studio della genetica molecolare e della fisiologia cellulare.

• Sostanze utili all'uomo (alimenti, sieri).
• Vengono utilizzati per la produzione di vaccini, antibiotici, vitamine ed altre sostanze utili.
• Causa di malattie: Sono responsabili delle malattie infettive nell'uomo, negli animali e nelle piante. Vengono chiamati in causa nell'insorgenza dei tumori.
• Meno dello 0.01% di batteri causano malattie.
• La maggior parte dei batteri sono benefici all'uomo e ad altre forme di vita.

Tipi di cellule microbiche

Esistono due tipi fondamentalmente differenti di cellule microbiche: quelle procariotiche e quelle eucariotiche. I microorganismi non si originano spontaneamente dalla materia inanimata, ma derivano da altri microorganismi.

I microorganismi che vedremo sono:

• Unicellulari = batteri.
• Protozoi.
• Lieviti e muffe = fanno parte del regno dei funghi e sono costituiti da cellule eucariotiche.

Oltre a questi, sono presenti anche microorganismi i quali non sono vere e proprie cellule: i virus e i prioni, che vengono studiati nella microbiologia.

Virus e prioni

Per quanto riguarda i virus, non possiamo considerarli cellule perché non possiedono la capacità di produrre energia (non possiedono metabolismo) e i ribosomi. Possiedono corredo genetico e proteine, ma gli manca l'energia e i ribosomi per compiere attività di sintesi proteica, per cui devono entrare in una cellula. Per questo motivo non sono considerate vere e proprie cellule.

I prioni, invece, sono proteine con capacità "importanti", esse entrano in una cellula e competono con la proteina sana, trasformandola in una proteina malata e causando la morte cellulare (es. mucca pazza).

Storia e classificazione dei microorganismi

La storia ha portato a sistemi di classificazione di questi organismi:

• A livello tradizionale questi si dividevano in piante (funghi, alghe, piante) e animali.
• Dopodiché i protisti sono stati classificati come gruppo a parte (protozoi, funghi, alghe, batteri), accompagnato sempre dal gruppo di piante e animali.
• Quando inizia a nascere il concetto di microbiologia e si inizia a sequenziare i genomi, avviene una divisione in 2 gruppi: i procarioti (batteri) e gli eucarioti (tutto il resto).

Questa classificazione si è mantenuta fino a quando non è avvenuta la classificazione di Whittaker che divise questi organismi in 5 regni: Monera (batteri), protisti (protozoi e alghe), funghi, piante ed animali.

Origini storiche della microbiologia

La microbiologia ha origine ancestrale, già con Aristotele si pensava che gli animali si originassero spontaneamente. Fino al XVII secolo si pensava che gli organismi viventi potevano generarsi spontaneamente dalla materia in decomposizione.

Francesco Redi (1626-1697) confutò la teoria della Biogenesi, conducendo esperimenti sulla carne in putrefazione. Il concetto di generazione spontanea persistette, tuttavia, per i microrganismi. Fin quando si iniziò ad usare il primo microscopio, che diede inizio ai primi concetti riguardanti piccoli organismi che a volte erano causa della trasformazione della materia.

Concetti di sterilizzazione e conservazione

Inizia il concetto di sterilizzazione: ad esempio, se veniva bollito il brodo e veniva tappato, questo si manteneva sterile; se invece veniva bollito e lasciato aperto, il numero di batteri in esso cresceva. Questo diede inizio al concetto che nell'aria sono presenti microorganismi, quindi tutto ciò che è a contatto con l'aria non può rimanere sterile.

Inizia nel 1800 la conservazione dei cibi e di conseguenza nasce il concetto di apertizzazione. Si inizia a capire che la polvere e l'ambiente trasportano germi, molti di questi sono batteri ambientali definiti "sporula" i quali formano la spora, un metodo di resistenza. I batteri ambientali per adattarsi alle situazioni estreme riescono a costruire queste strutture che conservano lo stesso organismo in una forma sporale dormiente per secoli (resiste ad alte temperature).

Endospore e Koch

Se sottopongo uno stimolo alla spora questa diventa vegetativa ma è un processo reversibile. Nasce il concetto di endospore termoresistenti e di sterilizzazione. Robert Koch (1843-1910), nel 1876 introduce il concetto di eziologia. Grazie al postulato di Koch avviene un collegamento tra la presenza di microrganismi e la presenza di malattie, che afferma che da ogni individuo malato si deve isolare la causa della malattia (patogeno). Da un individuo sano non si riesce ad isolare l'elemento patogeno. Ma se induco nell'individuo sano la stessa malattia, questo si ammala ed è necessario isolare anche qui l'elemento patogeno.

• Il microrganismo deve essere presente in tutti i casi della malattia ed assente negli individui sani.
• Il microrganismo in questione deve essere isolato e cresciuto in coltura pura.
• La stessa malattia deve essere provocata dall’infezione sperimentale con il microrganismo isolato inoculato in un ospite sano dall’ospite infettato.
• Lo stesso microrganismo deve essere re-isolato sperimentalmente.

I principi di Koch non sono assoluti in quanto dipendono anche dalla quantità, virulenza ed al tipo di patogeno, e non tutti gli individui ne sono suscettibili.

→ Edward Jenner (ca. 1798) usò la vaccinazione per proteggere le persone dallo smallpox.

→ Pasteur e Roux scoprirono che la lunga incubazione di colture prima del trasferimento nell’ospite provocava nel patogeno la perdita della capacità di provocare la malattia. Pasteur e collaboratori svilupparono il vaccino contro il colera dei polli, antrace e rabbia.

Elie Metchnikoff (1845-1916) sviluppò un’antitossina contro difterite e tetano.

• Hanno fornito evidenze di un’immunità umorale.
• Ha fornito evidenze di un’immunità cellulare.

Cellule eucariote e procariote

Ci sono due livelli di organizzazione: la cellula procariotica, più semplice, manca di membrana nucleare, di una serie di organelli ma vi sono presenti i ribosomi. La cellula eucariotica, più complessa, è formata da una membrana nucleare che divide il corredo genetico dal citoplasma, presenta mitocondri (secondo la teoria evolutiva sono una degenerazione dei batteri, in quanto era presente una cellula ancestrale da cui si sono divise le cellule eucariote e procariote).

I procarioti sono stati suddivisi a seconda delle loro caratteristiche ed è presente una suddivisione basata sul sequenziamento dell'RNA ribosomiale la quale divide i procarioti in 2 gruppi:

• Archea sono quelli più ancestrali e vivono in condizioni estreme come alte temperature o basse o acidità estreme.
• Senza peptidoglicano.
• Metanogeni.
• Lipidi con legami etere.
• Insensibili alla rifamicina.
• Vivono in condizioni simili a quelle “della terra primitiva”.
• Hlofili, termofili ed acidofili estremi.

Si dividono in 3 phyla:

• Metanobatteri (producono energia convertendo H₂ e CO₂ in metano);
• Alofili (vivono in luoghi con un alto contenuto di sali);
• Termoacidofili (vivono in luoghi con temperature elevate e con pH inferiore a 2).

• Eubatteri sono cellule procariote che vivono in condizioni di temperatura e acidità neutre.

Strutture delle cellule procariotiche

Le cellule procariote presentano strutture fondamentali costituite da nucleoidi e il genoma batterico, ribosomi, membrana citoplasmatica e parete batterica. I nucleoidi sono la zona della cellula dove è localizzato il DNA genomico che contiene tutta l’informazione genetica essenziale per la cellula batterica. È formato da una singola molecola di DNA a struttura circolare strettamente raggomitolata, associata a poliammide, che riducono l’acidità, a enzimi e a proteine. Il DNA si trova immerso nel citoplasma.

Localizzati a seconda del tipo di batterio; nei Gram negativi in posizione periferica e in quelli positivi in posizione più centrale. Ha una struttura compatta e si riproduce per duplicazione semiconservativa. I nucleoidi codificano per quella serie di geni essenziali per la vita della cellula (diversa dal plasmide, struttura accessoria). Tutte le strutture come le proteine e gli enzimi necessari per la cellula batterica per replicarsi sono presenti nel genoma.

Il citoplasma contiene costituenti necessari per la cellula (proteine, acidi nucleici, carboidrati, lipidi, ecc). Vi sono presenti i ribosomi 70s composti da una sub-unità di 50s e una di 30s (diversi dagli eucarioti 80s). Il citoplasma è la sede di importanti funzioni metaboliche.

I ribosomi presenti nel citoplasma sono fondamentali per la traduzione delle proteine, sono presenti in numero elevato e si distinguono da quelli eucariotici dal coefficiente di sedimentazione. Il citoplasma è racchiuso dalla membrana cellulare e contiene i diversi organuli della cellula immersi in una fase acquosa, di consistenza variabile, detta sostanza fondamentale o citosol.

Questa è composta all’80% da acqua e per il resto da macromolecole proteiche in vari stati di aggregazione, acidi nucleici, ioni, polisaccaridi di riserva, ribosomi e granuli; immersi in questa sostanza vi sono anche dei plasmidi e il nucleoide. Il citoplasma è, inoltre, la sede di importanti funzioni metaboliche cellulari quali la sintesi proteica e la glicolisi anaerobica.

La membrana citoplasmatica è simile a quella delle cellule eucariote quindi è formata da un doppio strato fosfolipidico con proteine per il trasporto ed altre funzioni ma più flessibile della membrana eucariotica perché mancano gli steroli. La funzionalità di questa è la formazione di una barriera permeabile, sito di ancoraggio per proteine necessarie alla penetrazione all'interno e per la conservazione dell'energia.

Mentre nelle nostre cellule molte funzioni vengono svolte dai mitocondri che sono la sede energetica, il batterio le svolge a ridosso della membrana citoplasmatica, questo è indice del fatto che i batteri possiedono una membrana formata da tante invaginazioni (come i nostri mitocondri), perché la maggior parte dell'energia della biosintesi e del metabolismo avviene infatti a ridosso di questa struttura.

Per questo motivo possiede anche meccanismi fondamentali per il trasporto di nutrienti. Meccanismi di trasporto attraverso la membrana citoplasmatica, la quale contiene proteine di trasporto che utilizzano il gradiente di ioni H+ o Na+ per trasportare una varietà di nutrienti nella cellula. Le proteine di trasporto sono dette transporters o permeasi e sono responsabili di:

• Diffusione passiva.
• Diffusione facilitata.
• Trasporto attivo.

Diffusione e trasporto

L'osmosi è un tipo di diffusione facilitata secondo gradiente di concentrazione. Rappresenta un tipo particolare di diffusione facilitata. Indica la diffusione del solvente attraverso una membrana semipermeabile secondo il gradiente di concentrazione. Lascia passare per diffusione passiva (gradiente di concentrazione) solo piccole molecole: H₂O, O₂, CO₂, zuccheri semplici, e alcune sostanze liposolubili. È un processo fisico spontaneo, vale a dire senza apporto esterno di energia, che tende a diluire la soluzione più concentrata, e a ridurre la differenza di concentrazione.

La diffusione semplice non necessita di nessun sistema proteico in quanto le cellule apolari sono capaci di diffondersi verso il doppio strato fosfolipidico per cui ci penetrano all'interno sostanze lipidiche (no dispendio di energia). È definito semplice perché le molecole che sfruttano questo trasporto sono tutte apolari, cioè capaci di diffondere attraverso il doppio strato lipidico (apolare). Tali molecole hanno solitamente le caratteristiche dei lipidi. In questo tipo di trasporto, il gradiente di concentrazione è favorevole. Non c'è pertanto una spesa energetica in termini di ATP per spingere la molecola dall’altra parte della membrana.

La diffusione facilitata consiste nella presenza di proteine canale che permettono l'entrata di molecole. Anche questo processo non richiede energia perché queste molecole passano dal gradiente più concentrato a quello meno concentrato. Sono presenti delle proteine trasportatrici, proteine di membrana che facilitano ed aumentano la velocità del passaggio di una determinata molecola. Proteine dette permeasi che legano la molecola e la trasportano da un lato all’altro. La diffusione facilitata non consente di andare contro gradiente.

Il trasporto attivo richiede energia. Proteine di trasporto utilizzano l'energia liberata dall’idrolisi di adenosintrifosfato (ATP) per trasportare zuccheri, aminoacidi, vitamine e piccoli peptidi. Questo meccanismo va contro gradiente di concentrazione e consuma energia. È suddiviso in:

• Trasporto primario formato da un sistema ABC dove è presente una proteina che lega la molecola (proteina di membrana), un trasportatore di membrana (proteina che lega e idrolizza l’ATP) e una proteina adibita alla produzione di energia (proteina che funge da canale proteina che-ha alta affinità con il substrato e funge da trasportatore: proteina periplasmatica Gram+, proteina di superficie Gram-) anch’esso consuma energia e va in senso di gradiente di concentrazione.
• Trasporto secondario, dove l’energia del sistema primario viene utilizzata per il trasporto di molecole contro gradiente. L’energia prodotta dagli ioni nel passaggio da una concentrazione più alta a una più bassa viene utilizzata per trasportare un altro soluto contro gradiente.

Un tipo di trasporto prevede l’utilizzo di diverse proteine che hanno come trasportatore di fosforo inorganico e queste sono proteine non specifiche.