Microbiologia

Microbiologia

Professoressa Batoni

A cura di Swany Leonardi

Cellula batterica

La microbiologia è la scienza che studia i più piccoli esseri viventi (dal greco “vita piccola”). È una scienza giovane rispetto alle altre, perché c’è stata una limitazione tecnologica in passato a causa dei microbi che non si vedevano e quindi per l’uomo non esistevano. Quindi si è sviluppata solo quando è stato creato il microscopio. Comunque l'uomo supponeva l'esistenza di questi microbi chiamati animacula, fino a quando non fu possibile vedere con occhio questi esseri. I primi microbi ad essere stati osservati sono stati i batteri orali della placca dentale.

I microbi studiati nella biologia medica possono causare malattia nell'uomo, e per “vincere” queste malattie è necessario utilizzare antibiotici (stanno perdendo di efficacia perché questi microbi stanno sviluppando resistenza con questi farmaci) che vanno a colpire le cellule microbiche e non quelle dell'ospite.

Pur non conoscendo i microrganismi, gli uomini avevano già imparato a utilizzarli come la fermentazione (processo in cui microrganismi producono alcol etilico) della birra, del vino, lievito e per la conservazione. L’uomo capì che questi organismi potevano causare malattie quando osservò che un individuo malato aveva dei sintomi e quel qualcuno che lo accudiva, successivamente, si ammalava e sviluppava gli stessi sintomi: quindi c’era qualcosa che passava da un soggetto malato ad un soggetto sano e lo faceva ammalare.

È importante sottolineare che non tutti gli agenti sono patogeni per l'uomo, anzi la stragrande maggioranza sono benefici per il nostro organismo: i nostri tessuti (ovvero le superfici esterne, come le mucose...) sono distretti che contengono una flora normale (ovvero contengono microrganismi che vivono con noi in perfetta simbiosi, 10 volte più numerosi delle cellule del nostro corpo).

Gli antibiotici alterano la flora intestinale quindi vanno assunte delle vitamine per mantenerla tale.

Le varietà del mondo microbico

Il mondo microbico è estremamente vario. I microrganismi sono un gruppo molto eterogeneo di organismi viventi ma sono in genere tutti unicellulari (formati da una sola cellula), relativamente semplici. Talvolta possono formare aggregati pluricellulari, ma ogni cellula è abbastanza equivalente alle altre.

I microrganismi sono divisi in una scala di dimensioni: 10^-8 m, tra gli organismi più piccoli di tutti ci sono i virus che sono talmente piccoli che possono essere osservati solo al microscopio elettronico (virus della poliomielite è il più piccolo, il più grande è il pox virus, ovvero il vaiolo); successivamente ci sono i batteri, seguiti da protozoi e funghi e possono essere osservati al microscopio ottico; infine ci sono i vermi che addirittura possono essere visti ad occhio nudo (da circa 1mm fino a 1m).

Classificazione dei batteri

I batteri possono essere classificati in base a molte caratteristiche, come:

• Classificazione in base alla complessità strutturale: in generale, i batteri, sono abbastanza semplici se si paragonano ad un organismo complesso, ma anche tra di loro si può vedere una scala di complessità.

Distinguiamo quindi procarioti, eucarioti e organismi con struttura acellulare.

• Procarioti: sono i batteri che sono capaci di vita autonoma; ma ci sono dei tipi di batteri (come le rickettsie e le clamidie) che sono parassiti intracellulari obbligati, ovvero che per avere una vita devono parassitare una cellula dell'ospite.
• Eucarioti: si dividono in miceti (o funghi) che possono essere sia unicellulari che pluricellulari presentando una parete spessa; e in protozoi che invece sono unicellulari e privi di parete.
• Struttura acellulare: ovvero i virus, sono meno di una cellula (acellulari) e quindi devono obbligatoriamente parassitare la cellula dell'ospite.

Le differenze tra i tipi sono molteplici: innanzitutto nei procarioti manca la membrana nucleare, che invece è presente negli eucarioti; a livello del citoplasma c’è un’altra differenza, ovvero negli eucarioti troviamo una serie di organuli che sono deputati a varie funzioni della cellula, quindi c'è una compartimentazione del citoplasma, mentre nei procarioti questa compartimentazione non è presente, ma le varie funzioni avvengono non in uno specifico organulo ma bensì nel citoplasma. Ci sono altre differenze tra i vari organismi, differenze nella riproduzione, per la presenza di parete (presente nei funghi e nelle cellule vegetali, è presente anche in tutti i batteri tranne nei micoplasmi), nel movimento, nel metabolismo (eucarioti molto più limitato rispetto ai procarioti).

Classificazione batteri in base a criteri morfologici: ovvero la forma, le dimensioni, la disposizione, le caratteristiche tintoriali, che ci danno un sacco di informazioni per quanto riguarda i batteri.

• Forma: nel mondo dei batteri ci sono due forme principali (cocchi e bastoncelli), che possono subire varie modificazioni:

• Cocchi: batteri di forma sferica. Alcuni batteri possono avere una forma più simile a un rene o fagiolo, oppure avere un’estremità un po’ appuntita.
• Bastoncelli: hanno una forma allungata, cilindrica (bacilli). Alcuni batteri possono essere incurvati a virgola (vibrioni), alcuni a forma di spirale (spirilli o spirochete), oppure avere una forma molto allungata (filamenti).

• Disposizione: è il modo in cui una cellula batterica si pone rispetto alle altre cellule. Si possono associare a due a due (diplococchi), possono associarsi a formare catenelle (streptococchi), possono associarsi in ammassi senza ordine preciso (stafilococchi), possono associarsi a gruppi di otto cellule (sarcine), a gruppi di quattro (tetradi). Questo avviene perché quando la cellula batterica si divide, le cellule figlie non si separano del tutto, ma rimangono attaccate per un breve tratto.

Nel caso degli streptococchi, le cellule figlie rimangono unite ed a loro volta si dividono secondo piani tra loro paralleli e perpendicolari al piano di allungamento della catena di cellule. Nel caso degli stafilococchi, invece, si forma un “grappolo” irregolare di cellule, perché i piani di divisione cellulare sono casuali nello spazio (avvengono in tutte le direzioni dello spazio).

• Carattere tintoriale: date le piccole dimensioni dei batteri, per osservarli meglio dobbiamo effettuare una colorazione inventata da Gram (da cui il nome). Le tappe principali della colorazione sono:

• 1) Colorazione primaria: lo trattiamo (ricopriamo) con un colorante detto cristalvioletto. Sciacquiamo il vetrino e TUTTI i batteri si coloreranno di violetto.
• 2) Mordente: tappa di fissaggio. Si ricopre lo striscio con un preparato di ioduro di potassio e iodio (soluzione di Lugol) che fissa il colore, in modo che questo rimanga ben saldo alle strutture dei batteri. Entrambi i tipi di batteri risulteranno sempre colorati di violetto.
• 3) Decolorazione: si aggiungono sullo striscio delle gocce di etanolo. Si inizia a vedere una differenza tra i Gram + e -: i positivi rimangono colorati di violetto, mentre i negativi perdono il cristalvioletto (si decolorano).
• 4) Colorazione di contrasto: aggiungo la safranina, colorante rosso. I batteri Gram negativi si colorano di rosso mentre quelli positivi rimangono di colore violetto.

Quindi il mondo dei batteri è dicotomico, e quindi divisi in due grandi gruppi: Gram – e Gram+. In questo modo è possibile vederli al microscopio ottico con tutte le caratteristiche morfologiche. Un altro modo per osservare i batteri sono le colonie batteriche (prodotto della divisione di una singola cellula batterica) che possono essere osservate ad occhio nudo. Queste sono il prodotto della divisione di una singola cellula batterica, e contengono milioni di cellule batteriche. Possono essere osservate ad occhio nudo sulla superficie di coltura solidi, ovvero mezzi artificiali che contengono vari nutrienti in grado di sostenere la crescita dei batteri. Queste colonie hanno dei caratteri morfologici: forma (puntiforme, filamentosa...), margine, profilo, superficie.

Classificazione in base a criteri metabolici e biochimici

Sono rappresentati, ad esempio, dalla necessità o meno dell’ossigeno per la crescita, all’utilizzo di zuccheri, alla temperatura ottimale di crescita, ai metaboliti prodotti etc. In commercio ci sono dei kit che permettono di seguire contemporaneamente, sullo stesso isolato clinico, molti test biochimici miniaturizzati. Dopo l’incubazione i risultati + o – sono confrontati con un database utilizzando un programma computerizzato che poi dirà all’utente a quale batterio corrisponde.

Classificazione in base al carattere sierologico (proprietà immunologiche)

Il siero è il fluido organico che circola nel nostro organismo e che contiene degli anticorpi (fanno parte dei sistemi immunitari proteggendosi dalle infezioni). Ciascuna cellula batterica, sulla propria superficie, ha delle molecole particolari ed è grazie a queste che il sistema immunitario si accorge che ci sono molecole non-self e quindi indurre la produzione di anticorpi. Molti batteri patogeni, però, esistono in natura come varianti antigieniche multiple, che consentono nel batterio un vantaggio selettivo, perché così hanno più probabilità di trovare un ospite che non ha anticorpi a riguardo, per cui svilupperà la malattia.

Classificazione in base al criterio genetico

Se vogliamo identificare una specie, dobbiamo andare a vedere il suo DNA (che non è altro che la “carta di identità” del microbo), ed è il metodo più accurato di identificazione di una specie. Inoltre vengono analizzati una serie di caratteri genetici come: % guaina + citosina, la % di ibridazione del DNA, analisi plasmidi, analisi delle sequenze codificanti per l'RNA ribosomiale, analisi di frammenti di DNA cromosomico o generati con enzimi di restrizione, analisi della sequenza di nucleotidi di particolari regioni genetiche o di tutto il genoma (ci dà un’enorme quantità di informazione perché partendo da queste sequenze geniche possiamo avere tantissime informazioni per esempio come le proteine che vengono prodotte, sulla sua fisiologia, sulla possibilità di produrre malattie).

Nomenclatura binomiale (batterica)

Ogni organismo è identificabile con due nomi, in cui il primo nome indica il genere, mentre il secondo nome indica la specie. Sopra il genere troviamo la famiglia (raggruppamento più ampio) che spesso ha il suffisso -ceae, sopra ancora c'è l'ordine, poi la classe, successivamente il phylum e in cima a tutti troviamo il dominio (Bacteria).

Cellula batterica

I minimi batteri sono formati da citoplasma e membrana citoplasmatica. La stragrande maggioranza però ha una serie di involucri, ovvero la parete cellulare, che è una capsula (più esterna). Molti batteri hanno anche delle strutture accessorie che possono essere i pili e i flagelli. Le strutture veramente indispensabili della vita sono il citoplasma, gli acidi nucleici e la membrana citoplasmatica.

Citoplasma batterico

È una massa semi-fluida (acquosa, quasi come un gel) racchiusa dalla membrana citoplasmatica, dove sono disciolte tutte le sostanze che servono alla vita, come proteine, zuccheri, lipidi, metaboliti intermedi, enzimi, e ioni inorganici (Ca²⁺, Mg²⁺, PO₄^3- fosfati & SO₄^2- solfati); inoltre sono presenti tantissimi ribosomi (sempre formati da due subunità e associati in catene chiamati polisomi).

Nel citoplasma non troviamo, però, tutti gli organuli: mancano i mitocondri, l'apparato del Golgi, reticolo endoplasmatico, lisosomi etc... Ma troviamo le inclusioni citoplasmatiche che sono delle zone contenenti delle sostanze di riserva. Queste contengono degli zuccheri, ioni, che il batterio può utilizzare nei momenti di scarsità di nutrienti.

Inoltre nel citoplasma è presente il DNA, costituito da un unico cromosoma (molecola di DNA circolare a doppio filamento). La lunghezza del DNA è più di 1mm, molto più voluminoso delle dimensioni del batterio stesso. Per poter essere alloggiato nella cellula batterica ha bisogno di essere superspiralizzato, avvolgimento favorito da proteine basiche simili agli istoni.

Oltre al cromosoma batterico principale, i batteri hanno degli elementi extra-cromosomici chiamati plasmidi: il 99% del DNA è nel cromosoma, circa il 1% è inserito nei plasmidi. Il numero dei plasmidi è variabile, possono esserci o non esserci, e possono essere acquisiti o persi. L'informazione dei plasmidi non è importante per la sopravvivenza del batterio, ma possono essere importanti per la sua patogenicità, perché questi plasmidi codificano i caratteri di resistenza agli antibiotici, la produzione di alcune tossine e la produzione di batteriocine (proteine ad attività antibatterica, importanti nei fenomeni di competizione tra batteri).

Membrana citoplasmatica batterica

Avvolge il citoplasma, lo isola ed è morfologicamente simile a quella delle cellule eucarioti che è strutturata secondo il modello a mosaico fluido. È composta da:

• Fosfolipidi, molecole anfipatiche che in ambiente acquoso si organizzano a formare un doppio strato.
• Proteine, che possono essere periferiche (blandamente associate alla membrana), o integrali (le più abbondanti circa 70%).
• Carboidrati, sotto forma di glicoproteine o glicolipidi.

Non ci sono però gli steroli, con un’unica eccezione: i micoplasmi (batteri strani, trasmessi per via sessuale). La funzione più importante della membrana citoplasmatica batterica è quella di rappresentare una barriera selettiva e trasportare soluti fuori e dentro la cellula con una permeabilità selettiva. Per far ciò ci sono delle proteine che mediano il trasporto per la membrana.

Questa membrana, inoltre, assume numerose altre funzioni: ha funzioni biosintetiche, sono localizzati degli enzimi che contribuiscono alla sintesi della parete, funzioni trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa nelle specie anaerobie, per la produzione di energia, poiché i citocromi e gli altri enzimi della catena respiratoria sono situati nella membrana citoplasmatica che risulta analoga alla parete dei mitocondri nelle nostre cellule (→ origine simbiotica); inoltre la membrana interviene nel processo di duplicazione del DNA, contiene gli enzimi che servono per la duplicazione del DNA. Queste zone si trovano in punti precisi, dove la membrana si invagina prendendo il nome di mesosomi:

• Mesosomi settale: intervengono nella divisione cellulare e tengono legato il DNA facilitando la separazione dei 2 cromosomi e la produzione del setto trasverso.
• Mesosomi respiratori: contengono la maggior parte dei citocromi e degli enzimi respiratori.
• Mesosomi bio-sintetici: contengono enzimi che intervengono nella sintesi dei componenti della parete.

Parete batterica

È un involucro posto all'esterno della membrana citoplasmatica di quasi tutti i batteri, con l'unica eccezione i micoplasmi (che sono gli unici a non avere la parete). La prima funzione della parete batterica è quella della protezione dai danni di tipo osmotico: in condizioni fisiologiche i batteri hanno un citoplasma che è molto più concentrato dell'ambiente esterno; succede che si ha un passaggio di acqua dalla soluzione più diluita verso quella più concentrata, quindi il batterio si rigonfia fino a scoppiare (se non ci fosse la parete). Quindi un batterio è bloccato dalla parete che evita che questo vada contro a lisi.

I micoplasmi come mai non scoppiano anche se non hanno la parete? Perché hanno gli steroli nella membrana citoplasmatica che danno una certa stabilità alla parete (→ più simili alle nostre cellule). Un'altra funzione è quella di mantenere la forma del batterio, protegge dalle offese meccaniche e ha una funzione immunitaria (ci sono delle molecole poste sulla parete batterica che sono viste dal nostro sistema immunitario per cui vengono prodotti gli anticorpi).

Composizione chimica della parete. Il componente principale è il peptidoglicano (o mureina, perché è un vero e proprio “muro” protettivo).

È formato da due componenti: una componente glucidica (palline) che sono lunghe catene lineari disaccaridiche poste concentricamente alla cellula; e una componente peptidica che lega trasversalmente le catene lineari con dei corti peptidi. La componente glucidica è composta da due zuccheri che formano una catena lineare con N-acetil-D-glucosammina (NAG) e Acido N-acetil-muramico (NAM). Sono zuccheri a 6 atomi di carbonio molto simili tra loro, l'unica differenza è che il NAM ha un acido lattico legato al C3 mediante un ponte ad idrogeno. Sono legati tra loro con un legame β1-4 glicosidico.

La componente peptidica è formata da una corta catena di amminoacidi (detta tetrapeptide) che sono legati al gruppo lattilico del NAM. Gli amminoacidi sono in sequenza: L-alanina, acido D-glutammico, L-lisina (o acido diaminopimelico) e D-alanina, si incastrano perfettamente uno all’altro perché sono stereoisomeri D e L.

La sequenza di questi 4 amminoacidi può variare da una specie batterica all’altra, l’unica cosa che rimane identica è il terzo amminoacido della sequenza è sempre un amminoacido bibasico (che contiene due gruppi aminici) che in genere è appunto la lisina (nei Gram +) o acido diaminopimelico (Gram-).