Introduzione allo studio dei microrganismi, Microbiologia

METABOLISMO BATTERICO

Per metabolismo si intende l’insieme di tutte quelle reazioni che servono alla vita del batterio. Il

metabolismo si divide in:

 Anabolismo = con reazioni di sintesi di molecole complesse a partire da molecole più semplici

utilizzando e disperdendo energia, la quale deriva dalle reazioni cataboliche.

 Catabolismo = con reazioni di degradazione di molecole complesse con produzione di energia. A

differenza delle cellule eucariote, le reazioni cataboliche del batterio possono avvenire sia in

presenza di ossigeno che in assenza di ossigeno.

Tutte queste reazioni consistono in reazioni di ossidoriduzione, dove una molecola si ossida e una si riduce

con la presenza di un trasportatore di elettroni. Quando si parla delle reazioni cataboliche, si libera energia

che viene immagazzinata in una cellula molto complessa, chiamata ATP (adenosintrifosfato). Lo stoccaggio

dell’energia dell’ATP è comunque temporaneo, poiché ATP viene velocemente prodotta ma altrettanto

velocemente viene utilizzata, perché quasi sempre le reazioni anaboliche e cataboliche stanno in equilibrio.

Quando il batterio ha bisogno di spostare energia a lungo termine, vengono invece prodotti dei polimeri,

come il glicogeno, che al momento del bisogno vengono ossidati.

Nei batteri, i meccanismi per produrre ATP possono avvenire:

 In condizioni di aerobiosi, in presenza di ossigeno, e si parla di respirazione

 In condizioni di anaerobiosi, in assenza di ossigeno, e si parla di fermentazione

In entrambi i casi, una molecola di glucosio, tramite il meccanismo della glicolisi, viene scissa a formare due

molecole di acido piruvico e due molecole di ATP.

Respirazione

In presenza di ossigeno, il piruvato viene decarbossiliato in acetato che reagisce e si lega al coenzima A,

formando l’acetil-coenzima A, il quale viene veicolato verso il ciclo di Krebs (o ciclo degli acidi

tricarbossilici) e alla fine si producono 10 molecole di NADH, un trasportatore di elettroni che quando è

carico si indica con NAD+. L’ossigeno ossida il NADH con formazione di vari prodotti, ma con liberazione

di 30 molecole di ATP. Si aggiungono le due iniziali, più altre che si formano da altri processi, per un totale

di 38 molecole di ATP che si formano nel ciclo della respirazione.

Fermentazione

Per la fermentazione invece, in assenza di ossigeno, ogni ciclo produce una o al massimo due molecole di

ATP. Dunque la fermentazione ha una media nettamente inferiore in termini di produzione di energia, ma

viene comunque utilizzata dai batteri in casi di necessità. In condizioni di anaerobiosi, il piruvato può

essere:

 Ridotto ad acido lattico, ricaricando il NAD. Questo tipo particolare di fermentazione è chiamata

omolattica, tipica di alcune specie batteriche, in particolare dei lactobacilli e viene utilizzata

dall’uomo per produrre alimenti, quali lo yogurt.

 Decarbossilato formando acetaldeide o aldeide acetica, che viene arricchita da due atomi di

idrogeno e si forma un sottoprodotto, l’etanolo. Tale tipo di fermentazione viene chiamata

fermentazione alcolica ed è quella che utilizzano i batteri ma soprattutto i lieviti per la produzione

di alimenti, quali il vino, la birra e anche il pane, poiché in tutto ciò viene liberata anidride

carbonica.

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I batteri, per crescere hanno bisogno di:

 Energia

 Fonti di carbonio

 Condizioni favorevoli

Fonti di Carbonio

Per quanto riguarda le fonti di carbonio, i batteri si dividono in:

 Eterotrofi, che utilizzano solo il carbonio organico, che presenta, oltre al carbonio, anche

l’idrogeno. Tale carbonio proviene dalla degradazione di animali, piante o dal metabolismo di altri

microorganismi.

 Autotrofi, che utilizzano il carbonio inorganico, come ad esempio l’anidride carbonica che si trova

nell’aria.

I Nutrienti

I nutrienti che servono ai batteri, per convenzione, vengono divisi in:

 Macroelementi = come il carbonio, l’idrogeno, l’ossigeno, l’azoto, lo zolfo ecc. che servono al

batterio in maggiori quantità

 Microelementi = che servono al batterio in minori quantità ma sono comunque indispensabili per le

azioni enzimatiche della cellula.

Per avere i nutrienti necessari, un microrganismo può trovarli nell’ambiente o sintetizzarli da sé.

Quando vogliamo coltivare in laboratorio un batterio, che quasi sicuramente non riesce a trovare i nutrienti

necessari, questi devono essere forniti tramite i terreni di coltura, dei mezzi che artificialmente creano i

nutrienti al batterio per crescere in vitro.

I terreni di Coltura

Per convenzione, i terreni di coltura, vengono suddivisi:

 In base allo stato fisico :

 Terreni liquidi = vengono chiamati anche brodi, e si conservano in delle provette sterili.

Quando vengono aggiunti i batteri, essi si evidenziano con l’intorpidimento del terreno.

 Terreni solidi = fatti dagli stessi componenti dei terreni liquidi, con aggiunta di Agar, un

polisaccaride estratto dalle alghe che si solidificano a una temperatura inferiore ai 40°C e

diventa una sorta di gelatina. Sulla piastra di Vetri, il terreno si solidifica e quando si fa la

semina dei batteri, la crescita si evidenzia o con una patina omogenea o con le singole

colonie. Le colonie si misurano in CFU, le Unità Formanti Colonia.

 In base alla composizione chimica:

 Terreni minimi = abbiamo gli elementi essenziali (azoto, carbonio) come Sali inorganici.

 Terreni complessi = si hanno sempre gli elementi essenziali ma spesso vengono aggiunte

delle sostanze (sangue, lievito) che servono a fornire ai batteri degli ulteriori elementi per i

fattori di crescita. Un esempio di terreno minimo è il Muller Hinton, dove cresce qualsiasi

batterio senza esigenze particolari. L’agar sangue è un terreno complesso poiché viene

preparato con gli stessi elementi del Muller Hinton ma con aggiunta di sangue di cavallo,

per i batteri che hanno delle esigenze un po’ più raffinate.

 In base alla funzione:

 Terreni selettivi = che favoriscono la crescita di una determinata specie poiché nei terreni

selettivi sono aggiunte delle sostanze, come zuccheri, coloranti, Sali biliari, che esercitano

una pressione selettiva inibendo la crescita di alcuni batteri. Esempi di terreni selettivi sono

MSA e McConkey.

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 Terreni di arricchimento = generalmente liquidi che servono per far crescere in brodo dei

batteri che hanno delle esigenze particolari.

 Terreni differenziali = contengono dei particolari indicatori di colore che fanno in modo

che un batterio cresca di un determinato colore.

BEA

BILE ESCULINA AGAR. In questo terreno normalmente giallo, gli entelococchi crescono, e sono gli

agenti eziologici delle infezioni urinarie. In esso gli entelococchi sono i pochi che riescono a crescere per la

percentuale di bile (4%), e riescono a idrolizzare l’Esculina facendola diventare esculerina, che reagisce con

gli ioni ferro che si trovano nel terreno, formando un precipitato nero.

MSA

MANNITOLO SALE AGAR. Terreno selettivo per gli stafilococchi, sia per l’elevata presenza del

mannitolo, sia per la presenza del cloruro di sodio, che inibisce la crescita dei gram negativi. Sull’MSA è

possibile distinguere lo stafilococco aureus, che diventa giallo, dagli altri.

McConkey = terreno selettivo per i gram negativi.

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DIVISIONE CELLULARE E STRATEGIE DI SOPRAVVIVENZA.

Quando ci sono le condizioni ambientali favorevoli (la disponibilità dei nutrienti, la temperatura adeguata, e

un’adeguata umidità), le cellule batteriche si dividono. Dapprima iniziano ad accrescere il cromosoma e si

ingrandiscono di forma con l’accrescimento del citoplasma; successivamente duplicano il cromosoma e gli

organuli: i due cromosomi formati cominciano a migrare verso i due poli della cellula e come ultimo

passaggio si forma il setto di separazione: le due cellule vengono separate in due unità assolutamente

indipendenti tra di loro.

Tutta la durata di questo processo viene definita tempo di duplicazione, che è estremamente variabile in

base alla specie: si va da 20 minuti fino a 12-13 ore. Il tempo di duplicazione può essere suddiviso in tre fasi:

 Fase iniziale = la cellula comincia a sintetizzare costituenti necessari, enzimi e in particolare gli

enzimi del complesso di replicazione, che vanno ad interagire con ORI C (origine della replicazione

del cromosoma). A un certo punto, si raggiunge una massa sufficiente di citoplasma, i costituenti

sono stati moltiplicati e quindi si dice che si è raggiunta la massa di inizio.

 Fase intermedia = avviene la vera e propria replicazione del DNA. Una volta duplicato, comincia ad

allontanarsi verso i poli della cellula.

 Fase finale = avviene il completamento del processo di segregazione e si forma il setto che separa le

due cellule figlie.

La fase intermedia e la fase finale quasi sempre hanno una velocità costante in tutte le specie batteriche:

quella che varia il tempo di duplicazione è proprio la fase iniziale, in base alle specie.

Il setto è formato da due strati di membrana citoplasmatica e da due strati di peptidoglicano. Il processo

della divisione dei batteri è chiamato fissione o scissione binaria.

Curva di crescita Batterica

L’andamento di crescita di una qualsiasi specie batterica può essere riportato su un sistema di assi, dove da

una parte si ha il numero di cellule e dall’altra il tempo. Per tutte le specie viene fuori una sigmoide in cui

possono essere evidenziate quattro fasi:

 Fase di latenza = i batteri devono adattarsi al nuovo ambiente e cominciano a sintetizzare tutti quei

costituenti e quegli enzimi che serviranno per la replicazione.

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 Fase di crescita esponenziale o logaritmica = la crescita dei batteri aumenta notevolmente in

maniera esponenziale.

 Fase stazionaria = essendo un sistema chiuso in cui i nutrienti a un certo punto si esauriscono, si

entra in questa fase, in cui non si nota un aumento di crescita poiché, alcuni batteri continuano a

replicarsi ma altri stanno già morendo per la carenza di nutrienti.

 Morte o declino = l’equilibrio non è più possibile perché i nutrienti sono del tutto esauriti, e il

numero di cellule che muoiono comincia ad essere nettamente superiore.

Fattori che influenzano la crescita batterica

La crescita batterica è influenzata da tantissimi fattori, tra cui:

 La temperatura = tutti i batteri presentano un intervallo di temperatura in cui sono in grado di

crescere; all’interno di questo intervallo vi è poi la temperatura in cui si evidenzia una particolare

esposizione alla crescita: tale temperatura viene chiamata optimum. In genere, l’optimum è molto

vicino all’estremo superiore dell’intervallo. In b