Batteriologia medica

Batteriologia generale

Lezione 1, 2

I batteri sono microrganismi semplici, unicellulari, procarioti di piccole dimensioni. Rappresentano la forma vivente più diffusa sulla terra. Un batterio corrisponde a una cellula procariotica. Si riproducono tutte per fissione binaria, da una cellula madre otterrà due cellule figlie esattamente identiche. Il batterio ha già per sua natura tutto quello che gli serve per replicarsi e per moltiplicarsi e dal punto di vista clinico, ci sono alcuni batteri che invece hanno bisogno di entrare nella cellula per causare una patologia (obbligati, parassitismo). I virus possono infettare i batteri.

Le dimensioni dei batteri variano da 0,2 a 1,4 micron, ma diciamo che tutti i batteri sono circa 1 micron. I batteri per loro natura tendono a vivere in gruppi. Sulla base della relazione che i batteri (i microrganismi in generale) stabiliscono con l'organismo si dividono in:

• Microrganismi che vivono e si moltiplicano a contatto con l’ospite → Simbionti mutualistici senza provocare danni e instaurando un rapporto di reciproco beneficio.
• Commensali: microrganismi che vivono e si moltiplicano a contatto con l'ospite senza provocare danni.
• Patogeni: microrganismi che sono in grado di vivere a spese di altri organismi viventi provocandovi una malattia.
• Opportunisti: microrganismi normalmente innocui, ma in grado di provocare malattie, anche gravi, in seguito a un indebolimento delle difese dell'organismo, immunodepressione.

Non tutti i microrganismi sono patogeni, circa l’1% (1400 tra virus, batteri, funghi, protozoi ed elminti) sono in grado di causare una malattia nell’ospite che infettano.

Microbiota e microbioma

Microbiota: comprende tutti i microrganismi che si trovano all'interno del nostro corpo (commensalismo). Normalmente viene chiamata normale flora batterica. All’interno si trova anche il viroma, i virus che si trovano sulla superficie del nostro corpo e a volte anche all’interno degli organi. Solitamente si trova in molti dei nostri tessuti e organi, risiedono milioni di batteri senza che noi ce ne accorgiamo e che vivono in modo commensale col nostro organismo. Sono innocui, qualche volta ci apportano benefici come la flora intestinale e nell’intestino a volte diventano opportunisti (es.: E. coli apporta benefici ma se oltrepassa il tratto urogenitale causa una cistite).

Noi siamo composti più da batteri che da cellule umane (ca 10%). Abbiamo una normale flora a livello del tratto gastrointestinale (800+ tipi), cavo orale, tratto respiratorio, mucose vaginali e pelle.

Microbioma: il genoma di tutti i microrganismi che compongono il microbiota. Il microbiota viene acquisito durante la vita e il bambino quando nasce ha una quantità di microbiota limitatissima. I primi batteri che iniziano a colonizzare il neonato sono quelli della flora intestinale che derivano sia dalla mamma al momento del parto e al momento della nascita, poi arricchita durante gli anni. Durante la prima infanzia tutti abbiamo la stessa flora batterica e man mano acquisiamo la flora e quando siamo adulti abbiamo un contenuto microbiotico altamente distinto.

Funzioni del microbiota

• Protettivo: l’equilibrio della flora batterica aiuta il sistema immunitario con l’entrata dei patogeni perché i batteri producono una serie di enzimi e sostanze che impediscono l’attacco di altri patogeni.
• Strutturale: partecipano allo sviluppo del sistema immunitario, inducono la produzione di IgA e quelle molecole che rafforzano le giunzioni tra le cellule.
• Metabolica: partecipano attivamente alla sintesi di vitamine, metabolismo di alcuni cibi e assorbimento degli ioni.

Quando l’equilibrio ospite-microbiota viene meno, si parla di disbiosi. Può avvenire se si mangia male, si conduce una vita stressante, si bevono troppe sostanze alcoliche oppure per qualche malattia, mutazioni genetiche e quindi alterata esposizione ai microbi. Le medicine sono la massima causa di disbiosi (vedi gli antibiotici per esempio).

Caratteristiche dei batteri

Un battere è circa 1-2 micron di diametro, quindi grandi quanto un nucleo cellulare e sono 10 volte più grandi dei virus. Sono visibili al microscopio ottico. Vengono classificati sulla base della loro forma che vediamo al microscopio ottico:

• Cocchi (sferici)
  • Diplococchi
  • Streptococchi (a catenella)
  • Stafilococchi (a grappolo)
  • Sarcine (a forma di cubo)
• Bacilli (bastoncellari)
  • Coccobacilli
  • Diplobacilli
  • Streptobacilli
• Spirilli (spiraliformi)
• Vibrioni (a forma di virgola)

I batteri incurvati sono spirilli, vibrioni e spirochete (numerose e ravvicinate volute sinusoidali). I batteri si classificano anche in base alla temperatura a cui vivono:

• Mesofili: crescono a temperatura intermedia e dato che il nostro corpo ha una temperatura media di 37°C, allora si replicano molto bene. Non crescono a temperature molto basse (motivo della conservazione in frigorifero).
• Termofili: crescono ad alte temperature (temp. ottimale tra 50 e 55°C).

I batteri si classificano anche sulla base delle loro sostanze di nutrizione:

• Eterotrofi: si nutrono dei composti organici.
• Autotrofi: sintetizzano autonomamente composti organici a partire da composti inorganici (energia luminosa, energia chimica).

Si classificano anche in base alla loro capacità di utilizzare l'ossigeno atmosferico:

• Aerobi obbligati: vivono e crescono solo in presenza di aria. Sono in grado di usare a scopo energetico solo la respirazione con ossigeno libero quale accettore finale di H (nei polmoni).
• Anaerobi obbligati: batteri che possono vivere solo in assenza di ossigeno (per crescere utilizzano processi respiratori anaerobi o fermentativi) (nell’ansa dell’intestino, nelle ferite lacero-contuse ricche di necrosi).
• Aerobi-anaerobi facoltativi: possono vivere sia in presenza che assenza di ossigeno libero. A seconda delle condizioni in cui si trovano decidono di condurre una respirazione aerobia con ossigeno, sia anaerobia in assenza.

Metabolismo energetico

Il glucosio è lo zucchero più comunemente usato per la produzione di energia. Esistono due principali vie di catabolismo del glucosio:

• Respirazione: il glucosio è completamente degradato ad H₂O e CO₂.
• Fermentazione: il glucosio è solo parzialmente degradato.

Dal punto di vista strettamente chimico, la fermentazione è un processo ossidativo anaerobico svolto da numerosi organismi a carico di carboidrati (o raramente di amminoacidi) per la produzione di energia necessaria alla loro sopravvivenza. Parte dell'energia ricavata dalla degradazione di substrati organici viene immagazzinata in ATP.

I batteri usano anche la respirazione per la produzione di energia. La differenza è che nel primo caso l'accettore finale di elettroni è una sostanza organica mentre nel secondo caso è una sostanza inorganica. Se la sostanza inorganica è l'ossigeno si parla di respirazione aerobica, se invece è un'altra sostanza (ione solfato, ione nitrato, ecc.) si parla di respirazione anaerobica.

Fermentazione

• Rilascia energia da zuccheri ed altre molecole organiche attraverso il processo di ossidazione.
• Ossigeno non è necessario.
• 2 molecole di ATP sono prodotte a livello della fosforilazione del substrato.
• Gli elettroni rimossi dal substrato servono alla riduzione di NAD⁺.
• L’accettore finale di elettroni è una molecola organica.

Fermentazioni batteriche

• Fermentazione omolattica (Lactobacillus e maggior parte degli streptococchi). L’acido lattico è l’unico prodotto finale.
• Fermentazione acido mista (Enterobacteriaceae - E. coli, Salmonella e Shigella). I prodotti finali sono una mistura di acetato lattico, formato, succinato ed etanolo, con la possibilità di formazione di gas (CO₂ e H₂) se il batterio possiede l’enzima formato deidrogenasi.
• Fermentazione butandiolica (Klebsiella and Enterobacter). Provoca la formazione di una mistura di acidi e gas come quella sopra descritta, ma, in aggiunta, si ha la produzione di 2,3 butandiolo (poco acido, neutro) dalla condensazione di 2 molecole di piruvato con la formazione di un intermedio caratteristico: acetoino.
• Fermentazione butirrica (Clostridia). Oltre l’acido butirrico, questi batteri producono acetato, CO₂ e H₂ dalla fermentazione degli zuccheri. Piccole quantità di etanolo ed isopropanolo possono anche formarsi.
• Fermentazione propionica. Particolare fermentazione operata da batteri quali corynebacteria, Propionibacterium e Bifidobacterium. Sebbene gli zuccheri possano essere fermentati direttamente in proprionato, il processo prevede la trasformazione prima in acido lattico, quindi in acetato, CO₂ e propionato.

Struttura dei batteri

Riconosciamo delle componenti fondamentali della cellula batterica e delle componenti accessorie. Le componenti fondamentali sono delle strutture che hanno tutti i batteri, invece le componenti accessorie non sono fondamentali ma ne favoriscono la sopravvivenza del batterio.

• Tutti i batteri possiedono, partendo dall’esterno:
  • Una parete batterica
  • Una membrana cellulare

La parete batterica e la membrana racchiudono il citoplasma all'interno del quale troviamo i ribosomi batterici e il genoma che è sempre costituito da un’unica molecola circolare.

Componenti accessorie

Componenti accessorie, che rappresentano un vantaggio evolutivo ma non fondamentali (possono accendere/spegnere i geni per questi):

• Un ulteriore rivestimento più esterno rispetto alla parete che chiamiamo capsula
• È possibile trovare una struttura che si diparte dalla membrana e dalla parete che si chiama flagello o delle altre strutture che circondano la cellula che si chiamano pili
• All'interno del citoplasma possiamo trovare dei plasmidi cioè DNA in più rispetto a quello genomico

Capsula: (se c’è) è esclusiva dei batteri, è la parte più esterna di una cellula e i batteri che la possiedono possono sopravvivere più a lungo, non è molto comune. È una struttura, da un punto di vista biochimico, costituita da polisaccaridi ad alto peso molecolare, prodotti dal batterio stesso, che vanno ad organizzarsi al di fuori della barriera cellulare formando uno strato molto ben definito liscio o in modo del tutto casuale in modo amorfo. Se il batterio possiede la capsula, la usa per attaccarsi alle cellule o ai tessuti all'organismo ospite.

• Funzioni:
  • Conferire resistenza al batterio
  • Favorire l’adesione del batterio ai tessuti dell'ospite
  • Rendere il microorganismo resistente alla fagocitosi, scappa dal primo sistema immunitario perché i fagociti non possono fagocitarlo → fattore patogenetico del batterio

Flagelli: Presenti sulla parte esterna, struttura accessoria. I flagelli possono essere lunghi fino a 100 nm. Hanno una natura proteica e sono costituiti da singoli monomeri proteici chiamati flagelline che vanno ad aggregarsi in una struttura cilindrica. I flagelli si attaccano strettamente alla parete batterica che serve ad esso per muoversi → organo di motilità del batterio: sono strutture rigide che ruotano su sé stesse e il movimento del flagello trascina la cellula batterica in avanti o indietro, batteri che li possiedono sono mobili. Solitamente sono presenti in un numero limitato sulla singola cellula, generalmente massimo 4-5 per ciascuna cellula, e si dispongono in modo estremamente regolare sulla superficie della cellula, solo su una polarità o su tutta la cellula.

Il movimento delle cellule batteriche non è volontario ma è direzionale e permette alla cellula di raggiungere uno stimolo da un’alta concentrazione di nutrimento, luce, ossigeno o che permette di allontanarsi da sostanze tossiche. Vantaggio perché possono muoversi verso dove ci sono le sostanze nutritive, altrimenti no.

Pili: All’esterno della cellula, strutture accessorie. Sono molto più sottili dei flagelli e anche molto più corti ma sono presenti in quantità molto superiori e solitamente si dispongono su tutta la superficie batterica. Di natura proteica e sempre costituiti da una singola proteina che si ripete chiamata pilina organizzata in una struttura cilindrica cava. Sono determinanti antigenici e gli anticorpi possono svilupparsi contro questa struttura. Fattori di patogenicità della cellula batterica perché permettono alla cellula di aderire strettamente ai tessuti. Quindi sono utili per l’adesività della cellula batterica. Esistono pili specializzati che si chiamano pili sessuali che sono utili per la trasmissione del DNA e dei plasmidi da una cellula batterica all’altra.

Parete batterica: Struttura fondamentale senza la quale nessun batterio potrebbe sopravvivere e se si rompe il batterio muore. Se non presente la capsula, essendo la parte più esterna sarà l’antigene di superficie e aderisce ai tessuti. Può avere uno spessore che varia dai 10-80 μm (dipendentemente dalla sua composizione) e conferisce rigidità alla cellula ma soprattutto conferisce resistenza meccanica alla lisi osmotica della cellula. Sulla base della composizione biochimica della parete batterica tutti i batteri vengono suddivisi in due grandi gruppi: i batteri Gram+ (positivi) e i batteri Gram- (negativi).

Questa divisione nasce dal fatto che un giorno Gram stava lavorando in laboratorio e si era accorto che tutti i batteri con cui lavorava potevano essere suddivisi in due grossi gruppi. Quelli che si coloravano di rosa e quelli di viola. La colorazione di Gram è quella tecnica ancora adesso utilizzata. La colorazione prevede questi step:

1. Tutti i batteri in prima istanza si colorano di viola.
2. Dopo aver fissato il trattamento si decolorano i batteri utilizzando qualcosa di lipofilico che distrugga i lipidi.
3. Utilizzando il decolorante la colonia si divide in due perché una è ancora viola l’altra bianca.
4. Poi si procede alla colorazione col rosa.
5. Quelli viola restano viola, mentre quelli trasparenti diventano rosa.

La composizione della parete Gram+ è molto diversa della Gram-.

Caratteristiche delle pareti Gram+

Composta unicamente da peptidoglicani (presenti solo nei batteri, che non sono presenti in altre strutture biologiche) e può essere espressa fino a 80 μm. I peptidoglicani sono 2 aminozuccheri, NAG (N-acetilglucosamina) e NAM (acido N-acetilmuramico), legati tra loro in un legame glicosidico. In verticale ciascun NAM possiede anche una catena di 4 aminoacidi e questa si lega alla catena di aminoacidi di un altro NAM attraverso un legame peptidico.

• In orizzontale abbiamo un NAG legato ad un NAM legato ad un altro NAG attraverso legame β1-4.
• I legami in gioco sono glicosidici in orizzontale e peptidici in verticale.
• La parete dei Gram positivi è estremamente resistente e per distruggerla è necessario utilizzare, per esempio, delle peptidasi.

Nei Gram+ ci sono poi:

• Acidi teicoici: polimeri di esteri fosforici del ribitol e del glicerolo (alcoli); altamente antigenici; struttura polare che si oppone al passaggio di molecole idrofobiche.
• Cere: lunghe catene di carboidrati sostituiti con zuccheri; resistenza all’azione di acidi minerali.

Caratteristiche delle pareti Gram-

Lo strato di peptidoglicani è veramente limitato per la parete dei Gram- (10 nm circa) e costituita da due strati:

• Uno di peptidoglicani molto limitato.
• Uno più esterno costituito da una struttura fosfolipidica come se fosse un’altra membrana cellulare ma esterna ai peptidoglicani.

Ci sono delle molecole sulla superficie fosfolipidica chiamati LPS o lipopolisaccaridiche, che sono delle molecole composte da: un acido grasso (lipide A) (legato al NAG, parte più interna), un core polisaccaridico e un antigene-O. I lipopolisaccaridi sono tossici per l’ospite e conosciuti anche come endotossine. Quando un batterio Gram- infetta l’organismo e muore, lisandosi, rilascia tutti i LPS che sono liberi di circolare nel sistema circolatorio provocando febbre, cambiamento nel numero di globuli bianchi, coagulazioni disseminate intravascolari, necrosi cellulare, abbassamento della pressione sanguigna.

Parete Gram- formata da:

• Proteine canale porine: formano pori nella membrana esterna, grandi abbastanza da permettere il passaggio di molecole idrofiliche.
• Peptidoglicani: come per i gram+, ma strato molto più sottile (al massimo 20%).
• Spazio periplasmatico: spazio compreso tra la membrana citoplasmatica e la membrana esterna. Contiene enzimi idrolitici, binding proteins che riconoscono le sostanze trasportate attraverso la membrana, chemorecettori, enzimi detossificanti.

Membrana plasmatica

Sotto la parete batterica c'è la membrana citoplasmatica, un doppio strato fosfolipidico. Racchiude il citoplasma leggermente più acquoso rispetto al nostro, ci sono i ribosomi 70s (30s+50s) e il genoma batterico che è un DNA circolare doppio filamento chiuso non legato ad istoni che codifica per tutto quello che serve al batterio. Contiene anche di un milione di nucleotidi quindi i batteri hanno genomi molto grandi. Qualche volta all'interno della cellula procariotica possono esserci anche i plasmidi, cioè genomi a DNA circolare indipendenti che sono facoltativi ma nella maggior parte dei casi codificano per fattori di virulenza e fattori di resistenza agli antibiotici.