Microbiologia

Microbiologia

Parete batterica

La parete batterica è una componente fondamentale sia dei microrganismi procarioti che eucarioti. Le nostre cellule eucariote non hanno una parete poiché sono cellule che si aggregano in tessuti ed organi protetti dalla cute, la quale funge da barriera. Le nostre cellule dell’epidermide possono simulare l’effetto barriera, e dunque la parete, poiché sono cheratinociti; inoltre nascono in un certo modo e maturano in un altro, ossia nascono negli strati basali e arrivano in superficie ed in superficie muoiono. Il problema è che effettuano un effetto barriera solo quando non sono eliminate artificialmente: eliminando gli strati superiori, ossia quelli che fungono da barriera, mettiamo in superficie delle cellule che non sono pronte ad essere messe in contatto con l’ambiente esterno. Lo strato superficiale si rinnova ogni 28 giorni. Non solo i cheratinociti fungono da barriera: ciò che rende impermeabile lo strato superficiale è il film idrolipidico (insieme di acqua, sebo, ecc.).

I batteri, le muffe e i funghi, invece, non si organizzano in tessuti: interagiscono con l’ambiente e hanno bisogno di una parete. I batteri sono organismi unicellulari, talora riuniti in ammassi pluricellulari; inoltre hanno circa le stesse dimensioni. La cellula eucariota è più grande rispetto a quella procariota. Questo perché la cellula eucariota è una cellula più semplice, ossia non ha un nucleo ma un nucleoide, in cui risiede il genoma; inoltre, nella cellula eucariota mancano i mitocondri (ciò non significa che i batteri non effettuano respirazione aerobia). Tutto ciò che sta solitamente nel mitocondrio nella eucariote, nei procarioti stanno nella membrana esterna o strato liposaccaridico. Quindi i procarioti mettono i trasportatori di elettroni nella membrana interna citoplasmatica, prendendo il nome di mesosomi respiratori.

I virus sono ancora più piccoli poiché sono essenzialmente genoma avvolto da proteine: solo grazie al microscopio elettronico si possono vedere. Le dimensioni diminuiscono in relazione alla complessità della cellula.

Dimensioni

La dimensione standard di un batterio è tra i 0,5-1 micromillimetri.

Eccezioni

Epilopiscium fishelsoni

Ci sono delle eccezioni: l’Epilopiscium è un simbionte di un pesce e, per le sue dimensioni, era stato confuso con un protista. Essere un simbionte significa 'vivere insieme' ad un altro organismo: in questo caso abbiamo una simbiosi mutualistica poiché il batterio aiuta il pesce a digerire le alghe. La caratteristica di questo batterio è quella di avere un numero elevato di copie del proprio cromosoma; il cromosoma è uno solo ma le copie sono tante. Questa è un’ipotesi (dato che ha tante copie, è grande), un’altra è che, appunto perché è grande, può permettersi tante copie. Inoltre ha un sistema di duplicazione viviparo: all’interno del batterio due nuclei si dividono e si generano due cellule figlie sempre all’interno; poi la cellula madre si lisia ed escono le due cellule figlie (negli umani non è così).

Thiomargarita namibiensis

Un altro batterio molto grande è il Thiomargarita namibiensis (scoperto a largo della Namibia): questo microrganismo è tanto grande poiché vive sul fondo degli oceani e usa acido solfidrico (prodotto dalle alghe). Per usarlo ha bisogno di nitrati che non sono sul fondo, allora dato che non è flagellato e non si può muovere, sfrutta le correnti. Quando sale, prende i nitrati e li mette in un sacchetto; quando torna sul fondale, può usare acido solfidrico perché nel vacuolo ha acido nitrico. Questa enorme dimensione con il vacuolo gli permette di restare sul fondale per 3 mesi, dopodiché segue le correnti ascensionali torna sulla superficie e fa scorta di acido nitrico.

Morfologia

Non è una scienza esatta.

Cocchi

La caratteristica dei cocchi è quella di riunirsi in morfologie particolari. Abbiamo Streptococchi che hanno la tendenza di riunirsi in catenelle. I Diplococchi stanno a due a due; le Tetradi a quattro, le Sarcine a forma di cubi e gli Stafilococchi stanno vagamente a forma di grappolo. Anche se riuniti in ammassi, mantengono sempre la loro unicità.

Lo Streptococcus pyogenes forma un biofilm contro il quale combattiamo tutti i giorni, ossia la placca. Il microrganismo attacca lo smalto grazie alla demineralizzazione dello smalto. Per eliminare la placca dovremmo eliminare la saliva, che però non può essere eliminata poiché è un blando disinfettante che contiene lisozima. Il lisozima è contenuto anche nelle lacrime (quando ci entra qualcosa nell’occhio lacrimiamo per rimuoverlo).

Lo Staphylococcus aureus è chiamato per l’alone giallastro che sviluppa sul terreno: si può contrarre nella carne cotta male.

Bacilli

I bacilli, invece, si dividono in Bacilli, Diplobacilli, Streptobacilli e Coccobacilli. Fra i bastonici vi è l’Escherichia coli, ossia un patogeno opportunista. Esiste nel nostro corpo ma, se cambia distretto, diventa patogeno. Ha delle appendici particolari chiamate ‘curli’ che permettono l’adesione alla cellula target.

Batteri incurvati

Esistono anche i vibroni in condizione di stress si incurvano, gli spirilli e gli spirocheta.

Batteri peduncolati e attinomiceti

Esistono poi i batteri peduncolati e gli attinomiceti. Gli attinomiceti sono importanti nella microbiologia del suolo poiché sono responsabili del ciclo del carbonio.

Struttura

• Nucleoide: in forma avvolta
• Ribosomi
• Vacuoli (a volte assenti): cambiano a seconda dell’habitat dell’organismo
• Citoplasma
• Membrana citoplasmatica
• Parete
• Capsula, se presente
• Appendici esterne, se presenti: fimbrie, flagelli, spine

Solo la parete può cambiare, parliamo di GRAM+ e GRAM-, mentre tutti gli altri componenti sono sempre uguali in tutti i microrganismi.

Colorazione di Gram

Parliamo di colorazione di gram: in base al colore abbiamo G+ e G- (i G- sono più difficili). La parete dei G- è più complessa: c’è la membrana citoplasmatica, uno strato di peptidoglicano, uno spazio periplasmatico e una membrana chiamata strato lipo-polisaccaridico o membrana esterna. La parete dei G+ è più semplice: abbiamo la membrana citoplasmatica e uno strato spesso di peptidoglicano.

Il componente fondamentale della parete è il peptidoglicano. Il peptidoglicano è l’unione di due unità ripetitive costituite da N-acetilglicosammina e acido N-acetilmuramico uniti da legami beta(1,6) e beta(1,4). Questi due amminozuccheri sono in sequenza per formare la parete: per contrastare la pressione osmotica in modo che la parete non si lisa esistono appunto i legami beta(1,6) e beta(1,4).

Grazie ad un legame amminoacidico (3 in comune, 1 cambia) la parete è salda. Nei G- abbiamo il DAP che si lega direttamente all’Alanina della catena sovrastante: in questo modo crea legami crociati diretti. Nel G+ il DAP è sostituito dalla Lisina, il quale non è in grado di legarsi direttamente, allora usa una catena di 5 Glicine per legarsi indirettamente formando un ponte pentaglicinico. Ne risulta che nei G+ lo strato peptidoglicano è più spesso ma più lasso.

Quindi le unità sono tenute insieme da beta(1,6) e beta(1,4), mentre uno sopra l’altro sono tenute insieme da legami crociati diretti o indiretti. Ciò che cambia tra G+ e G- è la distanza tra una catena e l’altra: nei G+ lo strato di peptidoglicano è più lasso poiché la catena di Gly è più lunga, mentre nei G- la parete è più compatta.

Nei G- abbiamo anche la membrana esterna e ciò ha una ragione: la membrana esterna è un bilayer lipidico con una permeabilità selettiva. I G- hanno due membrane semipermeabili: sia la membrana esterna che quella citoplasmatica. Nei G- esistono dei sistemi secretori per rendere più facile la permeabilità, ossia ci sono dei complessi proteici che consentono il libero transito.

Gli acidi lipoteicoici e teicoici sono i principali antigeni dei batteri G+ poiché sono costituenti fondamentali e sono altamente conservati. Inoltre mettono a disposizione delle cariche orientate che facilitano il passaggio di molecole cariche attraverso la parete. Non abbiamo bisogno di proteine transmembrana esterne poiché non abbiamo la membrana esterna, tuttavia il transito è facilitato grazie a questi acidi.

L’antigene O è l’antigene dei G-. Queste molecole, dette antigeni, sono tipiche dei batteri. La parte rossa è una endotossina che costituisce parte integrante della membrana esterna. Le lipoproteine di Braun, invece, hanno compito di ancoraggio poiché la parete deve essere rigida (tant’è che i legami diretti e indiretti servono per non far scorrere la membrana). Le proteine transmembrana (es. porine) sono proteine che si uniscono a formare un trimero per consentire il passaggio dall’interno all’esterno; queste proteine possono cambiare conformazione e addirittura chiudersi per regolare il flusso. Quando un microrganismo è in fase di crescita, le porine si chiudono per rendere il microrganismo più protetto.

L’endotossina può creare danni quando entra in circolo: ciò accade nel caso in cui il batterio muoia e la parete si lisa, liberando l’endotossina. Per assurdo, quando gli antibiotici hanno fatto il loro lavoro, possiamo comunque morire a causa del rilascio dell’endotossina.

La membrana esterna presenta cariche negative che contrastano la fagocitosi (macrofagi = cellule del sistema immunitario aspecifico: cellule che devono individuare sostanze estranee attraverso la loro componente antigenica; riconoscono le molecole estranee non-self ed eliminano tali sostanze). Le componenti antigeniche, affinché il sistema immunitario non confonda ciò che è sano e ciò che non lo è e quindi non si arrivi alle allergie/intolleranze/malattie autoimmuni, devono essere molecole costitutive solo dei batteri e devono essere espresse sempre.

La membrana esterna ostacola la penetrazione di agenti tossici come il lisozima e numerosi antibiotici (es. penicillina). A complicare tutto ciò è l’antibiotico resistenza: sono solo pochi gli antibiotici ancora attivi contro i G-. Nello spazio periplasmico sono presenti enzimi ad attività degradativa.

Capsula

Solo alcuni microrganismi hanno la capsula. La differenza tra ceppi, quindi batteri della stessa specie, che producono la capsula e quelli che non producono la capsula sta nel fatto che, nel lato pratico, i ceppi patogeni saranno più resistenti agli antibiotici poiché la capsula impedisce il passaggio. Inoltre la capsula impedisce la disidratazione e la fagocitosi poiché vengono mascherati gli antigeni ed il macrofago non riconosce più il batterio come qualcosa di estraneo.

La capsula è solo appoggiata sopra, è un rivestimento che rimane a coprire la cellula senza essere ancorata alla cellula. È uno strato viscoso e circonda la parete aumentando lo spessore del microrganismo. È una componente amminozucchera, dunque il microrganismo potrebbe utilizzarla (la glicolisi parte da uno zucchero), tuttavia questa componente è portata all’esterno poiché funge da forte barriera (i pro sono maggiori dei contro in questo caso). Le funzioni sono quelle di protezione, di virulenza e di aderenza.

• Aderenza: capacità di aderire alle superfici solide acquatiche o a quelle dei tessuti delle piante o degli animali. Più facilmente aderisce e più facilmente riesce a degradare la superficie attaccata. La capsula media una adesione generica alla superficie. La crescita di una colonia è chiamata biofilm. Un presidio medico sanitario su cui si può formare biofilm è il catetere o le protesi. Un altro biofilm è la placca; grazie alle glicoproteine della saliva i batteri aderiscono al dente facendo adesione. La placca porta alla carie; ossia un buco formato dai batteri. Per bucare il dente si utilizza la fermentazione che crea acidi che demineralizzano il dente. Per evitare la carie si deve cercare di ridurre lo spessore della placca (non si riesce ad eliminare completamente).
• Protezione: difende da improvvisi cambiamenti di temperatura all’essiccamento essendo ricca di acqua, evita l’attacco di virus batterici e di numerose sostanze tossiche idrofobe.
• Virulenza: Nelle specie patogene è un fattore di virulenza in quanto protegge la cellula dalla fagocitosi. La febbre è un meccanismo di difesa contro i batteri. È data da infiammazione che porta ad un aumento della temperatura del corpo.

La capsula può essere evidenziata mediante inchiostro di china (colorazione negativa), o con colorazioni specifiche.

Strato S

È la componente più interna della capsula ed è costituita essenzialmente da proteine e glicoproteine che si autoassemblano in dimeri, trimeri ed esameri a formare una specie di rete proteica con dei pori acquosi al centro dei polimeri proteici. La funzione dello strato S non è ancora ben definita, ma si ritiene che abbia un ruolo di filtro molecolare grazie alla presenza di questi pori (2-3 nm di diametro) che impedirebbero l'ingresso di molecole di dimensioni superiori, quali alcuni enzimi litici, potenzialmente dannose per la cellula.

Batteri che producono lo strato S, se propagati in vitro, tendono dopo un paio di generazioni a perdere questa struttura: ciò accade poiché in laboratorio, dato che si vuole che l’organismo cresca velocemente, si mette il microrganismo in condizioni ottimali e dunque non ha bisogno di difendersi. Dato che è in condizioni ottimali silenzia i geni per la difesa. In questo caso, si può prendere il microrganismo e stressarlo oppure prendere il fratello gemello dormiente congelato che ancora ha il plasmide per la difesa.

Strato mucoso

Ha una struttura amorfa e non sempre è presente, può essere portato esternamente. La sua forma è dovuta a sostanze viscide dato che serve al movimento dei batteri privi di flagello (es. bava della lumaca è uno strato mucoso che consente alla lumaca di muoversi più facilmente). Quindi la mancanza di una forma ben definita è dovuta al fatto che le sostanze che lo compongono vengono rilasciate nell'ambiente dove diffondono senza avere legami specifici di alcun tipo. La funzione dello strato mucoso è quello di ridurre l'attrito cellula-cellula e cellula-superficie, favorendo lo spostamento per scivolamento.

Appendici esterne

Fimbrie

Sono organi di ancoraggio (peli) responsabili della loro adesione a residui proteici o polisaccaridici presenti sulla membrana delle cellule dell'organismo ospite, ossia le cellule target. Presenti in quantità variabile sulla superficie dei diversi batteri (E. coli 100-300 fimbrie, altri batteri raggiungono il migliaio). Questo è un altro elemento di virulenza: nell’E. Coli prendono il nome di curli. I curli hanno capacità di legarsi a proteine della matrice extracellulare (fibronectina) o a proteine circolanti dell'organismo umano (plasmina), e soprattutto sono in grado di legare il complesso maggiore di istocompatibilità di classe I (MHC I), ossia di interferire con le cellule del sistema immunitario specifico.

I batteri provvisti di curli possono aderire a numerose superfici, sia biologiche che artificiali (materiali protesici), e dare luogo alla formazione di biofilm. La proteina di struttura dei curli, la curlina, (come il lipide A) può essere inoltre liberata nell'organismo ospite e dare luogo a danni di una certa entità per la sua moderata azione tossica. A cosa aderiscono le fimbrie? Ad esempio al mannosio, alla N-acetil galattosamina, al galattosio, ecc.

Batteri privi di fimbrie non sono in grado di colonizzare le cellule di un altro organismo e, pertanto, non sono dotati di potere infettante. L’adesione è il primo passo per la catena di virulenza. Sono localizzate ai poli di una cellula, oppure dislocate in maniera più o meno omogenea su tutta la membrana. Si ritrovano sia su batteri Gram-positivi che Gram-negativi, con minime differenze strutturali.

Pili

Il pilo sessuale serve alla cellula donatrice (F+, sintetizza il pilo sessuale) per prendere contatto con la cellula ricevente, la quale non possiede il plasmide. Dopo essersi agganciate, si trasformano in un sistema secretore di quarto tipo che consente la copiaconugazione, del plasmide. È un meccanismo vegetativo genetico in cui il plasmide viene ceduto. Questo meccanismo è la ossia il contatto tra due cellule vegetative (due madri o due figlie): la cellula donatrice che ha il plasmide F dona il plasmide alla cellula ricevente. La ricombinazione genica è orizzontale. Il pilo sessuale è connesso anche alla membrana citoplasmatica poiché il plasmide F sta nel citoplasma, per cui il pilo deve attraversare la membrana poiché un filamento, una copia, deve transitare nella membrana.

Dunque i pili sono simili alle fimbrie, ma sono più lunghi e presenti in una o più copie; sono coinvolti nei processi di adesione ai tessuti animali e nel processo di coniugazione.

Spine

Le spine sono corte appendici che servono ai batteri acquatici per galleggiare. Aumentano l'area della superficie cellulare consentendo ai batteri di rimanere sospesi per lunghi periodi di tempo; l’interesse sta nel fatto che:

• Essendo aerobi, i batteri trovano più ossigeno nelle acque superficiali
• Essendo fotosintetici, fanno fotosintesi
• Le acque superficiali sono più calde
• Le acque superficiali sono più ricche di nutrienti

Flagello

Il flagello è solo un organo di movimento o locomotore in un mezzo liquido (in un mezzo solido i batteri si muovono con lo strato mucoso). Essere flagellati è una prerogativa dei G-. Il flagello ruota in senso antiorario e si muove in tal modo in avanti: il flagello preferisce andare dove c’è concentrazione maggiore di nutrienti e si vuole allontanare dalle sostanze repellenti.