Microbiologia

Introduzione alla microbiologia

Mercoledì 1 marzo 2017 08:30
Docente: Luigi Bonizzi
Email: luigi.bonizzi@unimi.it
Tel: 0250318177

Un batterio non è visibile, a meno che non vi sia una colonia. I microrganismi non sono solo negativi, infatti senza di loro la vita sulla Terra sarebbe impossibile, sono stati i primi a comparire e probabilmente saranno gli ultimi a scomparire. Sono in grado di colonizzare, cioè invadere un territorio: possono usare o meno l'ossigeno, possono sviluppare meccanismi di resistenza, quindi hanno grande elasticità di adattamento. I microrganismi possono essere responsabili di patologie, ma sono anche responsabili del mantenimento dell'organismo animale.

Procarioti ed eucarioti

I procarioti sono organismi molto piccoli, ma anche alcuni eucarioti come funghi, protozoi e cellule umane sono piccoli. Sono responsabili della conservazione di alcuni alimenti.

Prioni

Sono proteine che possono costituire un agente infettante, sono agenti non convenzionali.

Patogenicità

Capacità di indurre malattie. I batteri possono essere patogeni o meno a seconda della loro posizione all'interno dell'organismo.

Batteriologia

I batteri sono procarioti, sono un'unica cellula, con materiale genetico disperso nel citoplasma, non racchiuso in una membrana nucleare, come negli eucarioti. Il primo involucro esterno è la parete cellulare, caratteristica di questi microrganismi; alcuni possono avere un'altra struttura esterna, chiamata capsula. La capsula ha funzioni di protezione può essere polipeptidica come nel bacillus antracis, fatta da acido diglutammico, peptide in forma D, struttura resistente nell'ambiente, difficilmente attaccabile. Questo bacillus causa una malattia molto grave, il carbonchio ematico, che è una zoonosi, perché si trasmette vicendevolmente tra uomo e animali. Se il bacillus antracis viene sottoposto a colorazione con il blu di Loeffler, il corpo batterico si colora di blu e la capsula di rosa: metacromasia. È un fenomeno che avviene quando un colorante conferisce una colorazione diversa a una determinata struttura.

Un'altra caratteristica è quella di essere in grado di produrre la spora, che è un meccanismo che alcuni batteri attivano per resistere alle condizioni estreme: quando le condizioni diventano insostenibili si attivano meccanismi di sporulazione, il batterio si trasforma in una spora resistentissima, che resiste all'ebollizione, alla mancanza totale di acqua, a molti disinfettanti. La spora può resistere anche per anni, quando le condizioni ritornano ottimali, può dare origine nuovamente al batterio. Le sue spore sono usate anche nella guerra biologica. La capsula in tutti gli altri casi è costituita da polisaccaridi. I batteri possono vivere tranquillamente senza capsula, ma quelli con la capsula sono più resistenti: è un fattore di patogenicità. Protegge il batterio, in ambienti dove ci sono flussi, come a livello urinario, la capsula permette di creare legami e far aderire il batterio. La capsula inibisce anche la fagocitosi, che è un meccanismo immunitario di eliminazione.

Funzioni

• Protezione
• Adesione
• Contrasta i meccanismi immunitari di eliminazione

La parete presenta delle altre strutture di adesione, i pili, che sono appendici filiformi in grado di legarsi al tessuto e indurre patologie. I batteri sono molto piccoli, più piccoli del potere risolutivo della luce e dell’occhio umano. Per poterli osservare si utilizzano particolari sistemi: microscopio ottico e microscopio elettronico. Il microscopio ottico ha ingrandimenti intorno a 400-500, al massimo 1.000 e usa un sistema di lenti, quello elettronico consente di osservare strutture molto piccole con un fascio elettronico. Per quanto riguarda la forma generale di un batterio si può usare un microscopio ottico, per le strutture microbiche va usato quello elettronico, che può ingrandire fino a 1 milione di volte. Il microscopio ottico può prevedere delle colorazioni, mentre il fascio elettronico non è in lunghezza d’onda del visibile: non si usano colorazioni, se non alcune effettuate con dei metalli che si legano più ad alcune strutture che ad altre. Sono in B/N.

La forma del batterio è data dalla presenza della parete, che ha una certa consistenza. I batteri si possono dividere in cocchi, tondeggianti, bacilli, con forma bastoncellare, spirilli, con forma arrotolata, brioni, con forma a virgola. Molti nomi dei batteri sono legati alla forma. I cocchi possono formare dei grappoli e creare gli stafilococchi. Gli streptococchi hanno invece forma a catenella, gli streptococchi piogenes producono pus. Non tutti i batteri hanno la parete: i batteri per eccellenza senza parete sono i micoplasmi, sono quindi pleomorfi, non hanno forma ben definita. Il fatto di non avere una forma ben definita non permette di separare questi batteri tramite filtrazione, questi infatti si inseriscono nei pori dei filtri da batteriologia. La parete è una struttura di separazione e può essere fatta in maniera diversa:

• Parete batterica dei gram positivi
• Parete batterica dei gram negativi

Al di sotto della parete batterica c’è la membrana citoplasmatica. Tra le appendici di adesione della parete ci sono dei pili più lunghi chiamati flagelli, che danno ai batteri la mobilità grazie a un movimento rotatorio; non tutti i batteri li hanno, quindi non tutti si muovono. La capacità di muoversi è un fattore di patogenicità. All’interno della membrana citoplasmatica è presente il citoplasma, con pochi organuli. NON ci sono i mitocondri, quindi gli enzimi respiratori sono legati a invaginazioni della membrana citoplasmatica dei batteri, i mesosi. Nel citoplasma si trovano i ribosomi, sedi della sintesi proteica, diversi rispetto a quelli delle cellule eucariote, perché con coefficiente di sedimentazione di 70s, mentre quello degli eucarioti è di 80s. Non si trovano reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi e membrana nucleare. C’è dell’acido nucleico, che costituisce un unico filamento, disperso nel citoplasma. Vi sono anche sequenze extracromosomali, di forma circolare, chiamate plasmidi: portano informazioni non essenziali per la vita del batterio, ma spesso di antibiotico resistenza; questi si replicano indipendentemente dal genoma e possono essere trasferiti da un batterio all’altro. I batteri possiedono sia DNA che RNA, è una delle caratteristiche che li distingue dai virus, che possono avere o DNA o RNA, non entrambi i tipi.

Cellula batterica

Mercoledì 8 marzo 2017 08:30

Strutture di superficie

• Capsula-strato mucoso esterno
• Parete cellulare
• Membrana citoplasmatica

Citoplasma (80% acqua) Modificazioni post traduzionali: molto poche, i batteri non hanno una sequenza per queste modificazioni. Le proteine sono costituite nei ribosomi, che sono diversi da quelli umani, in questo modo si può bloccare l’attività batterica e non quella umana. Nel citosol troviamo acidi nucleici (DNA ed RNA), enzimi, amminoacidi, carboidrati, lipidi, ioni organici e molti composti proteici (inclusioni citoplasmatiche). Possono presentare pili per l’adesione cellulare e flagelli, per il movimento. Il batterio viene attirato dalle sostanze nutritive e cerca di allontanarsi dalle condizioni negative. La mobilità serve anche per poter svolgere la propria attività e moltiplicarsi/espandersi.

Capsula

È un manicotto di natura polisaccaridica in quasi tutti i batteri, solo 1 esempio è di tipo polipeptidico (diamminoacido, poco attaccabile dagli enzimi), importante perché presente in un patogeno, il bacillus antracis, che genera l’antrace. Questo viene usato per la guerra biologica, è un patogeno resistente, infatti può creare spore e produce una tossina letale. La capsula aderisce in modo compatto alla superficie della cellula e può essere presente sia nei gram positivi, che nei gram negativi. I batteri si dividono in 2 grandi categorie in base alla parete cellulare, attraverso la colorazione di Gram. Esistono delle eccezioni: i micoplasmi non hanno parete, quindi non sono né gram positivi, né negativi. La capsula è il risultato di secrezione di eteropolisaccaridi, che danno proprietà di adesività, rimanendo adesi alla parete della cellula, permettendo ai batteri di colonizzare mucose dove ci sono dei flussi oppure i denti. I batteri colonizzano anche determinati distretti: la legionella si trova nelle tubature dell’acqua, perché è in grado di rimanere attaccata. Man mano che prolifera delle parti si staccheranno ed entreranno nel flusso dell’acqua, provocando la legionellosi: si ha la colonizzazione di nicchie biologiche. Anche nel caso di malattie della mammella, gli antibiotici vanno ad eliminare solo i batteri che non sono legati alla parete, che sono coperti da altri batteri, per questo la malattia si ripresenta.

Generalmente la capsula è costituita da:

• Polisaccaridi
• Polisaccaridi complessi
• Poliribitolfosfati
• Poli D glutammato: nel bacillus anthracis

I polisaccaridi capsulari contengono il 95% di acqua e sono attaccati alla superficie del batterio tramite legami covalenti con fosfolipidi e molecole del lipide A. Sono polimeri ed eteropolimeri di monosaccaridi legati da legami glicosidici attuabili in diverse configurazioni. Da qui ne consegue una grande variabilità strutturale, che si traduce in un numero molto elevato di sierotipi capsulari diversi anche nella stessa specie batterica. Ad esempio, in Escherichia coli ci sono 80 diversi antigeni K (da Kapsel), alcuni dei quali associati ad alta patogenicità e infezioni specifiche. Ci sono poi dei ceppi in grado di avere strutture antigeniche simili, quindi esistono delle differenze antigeniche che differenziano ad esempio K88 o K99. Però K18, K22 e K100 possono essere simili in Escherichia coli e Haemophilus. La capsula è un fattore di patogenicità. Come vedo la capsula? Osservando i batteri al microscopio, dopo averli messi in una goccia di inchiostro di china, si presenta un alone chiaro, non penetrato dall’inchiostro, in corrispondenza della capsula (il resto si colora di nero). Inoltre nelle colonie batteriche, progenie di una singola cellula, che si riproduce per scissione binaria, possiamo vedere quale batterio si sta analizzando e si possono dare indicazioni sulla presenza della capsula. Quelle capsulate hanno contorni netti, hanno fase liscia (fase S), mentre quelli in fase rugosa (R) hanno contorni frastagliati. Uno stesso batterio può presentarsi in una forma S e in una forma R, perché la capsula non è indispensabile per la vita. Quello con la capsula è patogeno, l’altro no. Questo è stato usato da Griffith per mettere in evidenza un meccanismo di trasferimento genico: i batteri possono trasferire materiale genetico, indipendentemente dalla replicazione. Inoltre sono molto più sensibili agli agenti mutageni: si creano ceppi che con maggiore efficacia colonizzano un tessuto o un ambiente.

Per quanto riguarda il bacillus Antracis, con capsula polipeptidica c’è la metacromasia: il colorante dà un colore diverso rispetto al suo. Se coloro in blu il batterio, la capsula diverrà rosa. Per mettere in evidenza la presenza di una capsula si può usare la termoprecipitazione di Ascoli, viene fatto bollire il tessuto, la bollitura elimina gran parte delle proteine del tessuto, la capsula rimane e può essere riconosciuta con anticorpi specifici.

Funzioni

• Protezione della parete cellulare
• Previene il disseccamento
• Ha funzione di adesione e colonizzazione: sia per strutture biologiche che non biologiche (si legano a cateteri, protesi)
• Ha azione immunitaria: contrasta le cellule fagocitarie, inibisce la fagocitosi, i fagociti sono delle cellule di primo intervento che possono rispondere a qualunque tipo di invasione, sia di patogeni che di materiale inerte.

Altre componenti simili alla capsula

• Strato mucoso: meno strutturato, con più o meno le stesse sostanze polisaccaridiche, a volte ci sono dei legami con proteine, con azione di legame. Hanno una geometria cristallina. È un involucro protettivo, che interviene nei fenomeni di adesione alle superfici mucose, fondamentale per il processo infettivo.
• Glicocalice (biofilm): fibrille polisaccaridiche lasse, per adesione ingloba e protegge i microrganismi. Le strutture metaboliche possono attraversarlo, il lisozima, che tende a distruggere la cellula, invece non può passare. Queste strutture sono fondamentali per la patogenicità. La capsula deve essere costruita dal batterio.

Fimbrie o pili

Si possono trovare anche fimbrie o pili, appendici proteiche, strutture tubulari, cave, corte e sottili che sono visibili al microscopio elettronico, presenti principalmente nei gram negativi, originano dalla membrana citoplasmatica, formate dalle piline (proteine) specifiche per ogni specie batterica. Possiedono proprietà antigeniche. In questo caso gli antigeni si chiamano F. Hanno funzione di adesività, servono per aderire ai tessuti degli ospiti ed impedire che vengano portati via ad es. dalla peristalsi intestinale. Possono esserci anche pili sessuali (NON SERVONO PER LA RIPRODUZIONE), perché servono al batterio per trasferire materiale genetico a un altro batterio, un batterio F+ può unirsi a uno F-, senza pilo sessuale, e può trasferire il proprio materiale genetico attraverso la coniugazione batterica. Il batterio ricevente acquisisce delle caratteristiche nuove, come l’antibiotico resistenza. Uno dei meccanismi sfruttati per impedire l’adesione di batteri è quello dell’utilizzo di probiotici o mannosio, che si legano a dei recettori, che vengono occupati e impediscono l’adesione: c’è una competizione tra questi batteri.

Flagelli

I flagelli sono appendici molto sottili, di aspetto ondulato, con spessore inferiore al potere di risoluzione dei microscopio ottico e molto lunghe, possono essere visti con i sali di acido tannico, che precipitano e aumentano la loro grandezza. Sono lunghi dai 15 ai 20 micron, sono formati da una parte basale, ancorata nella membrana citoplasmatica, un filamento e un uncino terminale. Sono organi di propulsione, che permettono ai batteri di muoversi. Possono mettersi anche lungo il corpo batterico, quando sono di forma spirillare, per far ruotare tutto il corpo batterico. Nel flagello vi è un flusso di processi metabolici che creano un meccanismo enzimatico di rotazione in un senso o nell’altro. Presentano la flagellina, che è una proteina batterica. Le proteine Mot servono da interruttore e motore del flagello. I batteri si muovono verso sostanze nutritive, luce, si oppongono alla gravità, verso temperature idonee. Presentano chemiocettori. Possono esserci endoflagelli, che sono posti alle 2 estremità del batterio, che si legano e danno movimento al batterio. Se si seminano in un terreno semisolido con concentrazione di agar bassa un batterio per infissione, se non è dotato di mobilità la crescita avviene solo nel sito di inoculo, se invece ha il flagello si espande e la crescita va in senso centrifugo.

Parete cellulare e membrana citoplasmatica: struttura e funzioni

Mercoledì 15 marzo 2017 08:30

La parete cellulare è una struttura rigida che circonda la membrana citoplasmatica, non tutti i batteri hanno parete: i micoplasmi. Ha 2 funzioni:

• Protegge la cellula da sostanze antimicrobiche, dalla pressione osmotica: se sospesi in acqua distillata i batteri non scoppiano, avendo la parete, mentre le cellule possono essere sospese in soluzione fisiologica per non scoppiare, alcuni batteri resistono alle salamoie, soluzioni saline concentrate (alofili)
• Dà una forma: i micoplasmi non hanno forma definita, sono pleomorfi

Caratteristiche

• È costituita da sostanze proprie dei batteri: è un obiettivo per le sostanze antimicrobiche, come ad esempio antibiotici o penicillina
• Può causare malattia: può costituire un fattore di patogenicità, perché nella parete ci possono essere endotossine, che sono delle componenti della parete batterica. Anche nei gram positivi possono costituire un fattore di patogenicità. Una soluzione iniettabile non è sufficiente che sia sterile, perché possono rimanere componenti di batteri, come la parete, che è un fattore di patogenicità. Soprattutto nei gram negativi, ma anche alcune componenti dei gram positivi
• Si possono dividere i batteri in gram positivi o negativi a seconda della costituzione della parete

Componenti della parete cellulare

Peptidoglicano costituito da acido acetilmuranico legato a catene laterali peptidiche e da N-acetil-glucosamina. Esiste un meccanismo di transpeptidazione: più strutture di peptidoglicano vanno a costituire la parete. Nei gram positivi questa struttura a maglie va a costituire fino a 20 strati, nei gram negativi c’è invece un’unica maglia. La penicillina blocca la transpeptidazione, quindi la formazione di questi strati, è più efficace nei gram positivi. Nei gram positivi esiste una struttura che costituisce la matrice, che si lega alla membrana citoplasmatica e possiede acidi glicoteicoici: componenti specifiche dei batteri. I gram negativi hanno invece una pseudocapsula esterna e un unico strato di peptidoglicano: la pseudocapsula è un doppio strato fosfolipidico con all’interno proteine e lipopolisaccaridi e lipoproteine di ancoraggio al peptidoglicano. I LPS sono le endotossine, che sono delle componenti della parete batterica. Anche nei gram positivi possono costituire un fattore di patogenicità.