Microbiologia

Microbiologia: basi biologiche e molecolari del benessere della persona

Microbiologia = scienza che studia i micro-organismi e loro attività.

Micro-organismi

• Batteri
• Virus
• Alghe
• Protozoi
• Funghi

NB: I batteri hanno dimensioni maggiori dei virus.

Stelluti: Prime osservazioni microscopiche sui micro-organismi.

Leeuwenhoek: Scopre i primi microorganismi grazie al suo microscopio.

Origine dei micro-organismi

• A) Teoria della generazione spontanea (Aristotele)
• B) Redi, Spallanzani, Pasteur: Esperimenti per dimostrare la nascita dei micro-organismi da sostanze organiche (esperimenti con le ampolle a contatto con l'aria e micro-organismi presenti dove il liquido non veniva fatto bollire)

Conclusione: I micro-organismi si generano da altri micro-organismi e non da materia inanimata.

Contributi significativi

Koch: Dimostrazione correlazione micro-organismi-patologie.

Postulati di Koch: Usati per determinare il legame malattia-micro-organismo.

Fleming: Scoperta della penicillina (antibiotico).

Impatto dei micro-organismi sulle attività umane

1. Micro-organismi e salute

Vivono nel corpo e:

• Stimolano le risposte immunitarie
• Partecipano al metabolismo alimentare
• Forniscono fattori di crescita essenziali
• Proteggono da invasioni di altri micro-organismi

2. Micro-organismi e agricoltura

3. Micro-organismi e industria

• Latte: Attività di trasformazione (yogurt)
• Alcolici: Lievito
• Pane: Fungo (amido)

4. Micro-organismi ed energia

• Batteri metanogeni: Metano
• Micro-organismi fotosintetici: Biomassa (carburante bio)

Micro-organismi e loro attività

• Benefica
• Patogena

Batteri

• Unicellulari
• Procarioti
• Vivono nel corpo: a) in forma transitoria b) come parassiti c) come commensali
• Spesso patogeni per l’uomo

Procarioti

• Nel citosol: un solo cromosoma circolare avvolto = una unica molecola di DNA = aploide
• Nessuna membrana nucleare e nessun nucleo
• Invaginazioni nella membrana citoplasmatica: mesosomi (per respirazione cellulare e produzione energia)
• Ribosomi
• Parete cellulare strutturata semplice: chitina
• Flagelli per muoversi

Eucarioti

• Nucleo con DNA a più cromosomi = diploide
• Reticolo endoplasmatico, organuli cellulari, ribosomi
• Mitocondri per respirazione e ATP
• Dimensioni maggiori del procariote
• Parete cellulare complessa: glucidi, lipidi, peptoglicani
• Flagelli per muoversi

Parete cellulare procariotica

Strato di peptoglicano che conferisce rigidità. Differenza tra batteri Gram + e Gram –.

Parete cellulare Gram +

Strato molto spesso di peptoglicano (al suo interno: acidi tecoici).

Parete cellulare Gram -

• Complessa, costituita da tre regioni:
  • Lipide A (porzione virulenta)
  • Core polisaccaridico
  • Antigene O
• Strato di peptoglicano (verso l’interno)
• Proteine di Praun
• Spazio periplasmatico
• Membrana esterna e porine
• Lipopolisaccaride (LPS) - la molecola virulenta del Gram –

LPS e risposta infiammatoria

Il lipide A con la proteina LPB (binding protein) attiva il recettore che trasferisce il segnale dal citosol al nucleo, attivando geni per la sintesi di citochine, innescando la risposta infiammatoria (se cronica: shock settico).

Parete cellulare microbatteri

• Strato sottile di peptoglicano e fosfoinositidiomannani
• Arabino galattani e lipo-arabino-mannano
• Acidi micolici: resistenza a molti composti chimici e acido resistenza

Struttura superficiale dei batteri

Flagelli

• Motilità della cellula
  • Polare: un flagello su un'estremità, movimento a scatto rapido
  • Lofotrici: più flagelli su un'estremità
  • Peritriche: più flagelli su più estremità, movimento a linea retta
  • Anfitriche: due flagelli nei due poli

Struttura flagelli procarioti

• Struttura semplice e proteica
  • Tre regioni: a) Filamento b) Gancio/uncino c) Corpo basale

NB: Struttura del flagello Gram + diversa da quella del Gram –.

Movimento flagellare

Grazie a proteine motrici e proteine fly (forza proton-motrice), il movimento e la direzione del batterio avviene in reazione a uno stimolo:

• Chemiotassi: reazione a sostanza chimica (Gram + si allontana, Gram – si avvicina)
• Fototassi: reazione a stimolo luminoso
• Aerotassi: reazione a livello O2
• Omeotassi: reazione a concentrazioni ioniche

Fimbrie

Presenti sulla superficie dei procarioti, costituite da proteina Pilina, con funzioni di adesione a superfici, proprietà emoagglutinante e formazione di pellicole su superfici liquide.

Pili

Simili alle fimbrie, con funzioni di connessione con cellule adiacenti per il passaggio di materiale genetico.

Capsula e strato mucoso

Capsula (parte rigida impermeabile) + strato mucoso (parte permeabile e deformabile) = glicocalice.

Funzioni capsula:

• Adesività
• Inibizione da fagocitosi
• Resistenza all’essicamento e antibiotici

Gram + producono (alcuni): Spora o endospora con:

• Elevata resistenza a:
  • Calore
  • Agenti chimici e fisici
  • Coloranti

Ciclo vitale di un batterio sporigeno

(Disegna)

La crescita microbica

Aumento dei componenti cellulari in numero e dimensioni. I batteri si riproducono per scissione binaria:

• Duplicazione del DNA (di tipo circolare)
• Formazione di due molecole di DNA uguali
• Formazione del setto/invaginazione cellulare
• Generazione: separazione in due cellule
• Due cellule figlie identiche con una molecola circolare ciascuna

Ciclo di crescita

1. Fase di latenza: i micro-organismi sono presenti in un terreno ricco di nutrienti e sintetizzano le componenti necessarie per replicare
2. Fase esponenziale: i micro-organismi iniziano a replicarsi
3. Fase stazionaria: equilibrio tra fase di duplicazione e di morte (prodotti = morti)
4. Fase di morte: la popolazione microbica muore (assenza di nutrienti)

Metabolismo batterico

• Catabolismo
• Anabolismo

Distinzione batteri dal punto di vista nutrizionale ed energetico

Classificazione in base alla fonte di energia

• Fototrofi (raggi UV)
• Chemiolitotrofi (sostanze inorganiche)
• Chemo-organotrofi (sostanze organiche)

Classificazione in base alla presenza di ossigeno

• Anaerobi obbligati (non crescono se non c’è O2)
• Aerobi obbligati
• Anaerobi facoltativi

Autotrofi: Fonte di energia: carbonio o sostanze chimiche inorganiche.

Eterotrofi: Fonte di energia: carbonio organico.

Produzione di ATP secondo due vie metaboliche

• Fermentazione: assenza di O2 = fosforilazione a livello del substrato
• Respirazione: presenza di O2 = fosforilazione ossidativa

Genetica batterica

• Acidi nucleici (DNA, RNA)
• Proteine
• Peptoglicano (nella cellula procariotica)

La replicazione del DNA avviene in modo semiconservativo in un punto preciso: l'OR-C.

Plasmidi

Molecole di DNA circolare a doppio filamento che si replicano indipendentemente dal cromosoma della cellula ospite e contengono geni accessori, non essenziali per la sopravvivenza del batterio.

• Plasmidi coniugativi: permettono trasferimento di geni da una cellula batterica all’altra
• Plasmidi di resistenza a specifici antibiotici
• Plasmidi con geni che conferiscono virulenza
• Plasmidi che codificano batteriochine (sostanze tossiche)

Trasposomi

Elementi genetici mobili in grado di trasferire il DNA all’interno di una singola cellula da una porzione ad un’altra del cromosoma o dal cromosoma ad un plasmide e viceversa. Fenomeni che avvengono all’interno della stessa cellula.

Trasferimento di materiale genetico

• Trasformazione: un DNA libero viene incorporato in una cellula ricevente e determina un cambiamento genetico
• Trasduzione: il DNA viene trasferito da una cellula ad un’altra attraverso un virus batterico, può essere:
  • Generalizzata (geni casuali)
  • Specializzata (geni specifici, es. resistenza antibiotica)
• Coniugazione: processo di trasferimento DNA che comporta contatto cellula-cellula (grazie a pili) (cellula donatrice + cellula ricevente)

Patogenicità microbica

Capacità dei micro-organismi di causare malattia.

Parassitismo

• Facoltativo: vita saprofitica, vive a spese di materiale inanimato
• Obbligato: vita parassitaria, vive a spese di altri organismi

Classi batteriche in base al tipo di parassitismo

• B. simbionti: utili all’ospite
• B. commensali: indifferenti all’ospite
• B. patogeni: danno all’ospite

Patogeno: Micro-organismo in grado di invadere i tessuti e moltiplicarsi, danneggiandone il funzionamento con la produzione di sostanze tossiche.

Virulenza: Indica il grado di patogenicità di un organismo.

Malattie da infezione

• Endogene: causate dalla normale flora batterica residente (es. Escherichia coli crea infezioni quando dall’intestino (innocuo) passa nel tratto urinario (infezione))
• Esogene:
  • Trasmissione orizzontale: via aerea, alimenti, inoculazione diretta, contagio sessuale, penetrazione traumatica
  • Trasmissione verticale: via trans-placentare o perinatale, post-natale

Fasi del processo patogenico

• Esposizione
• Adesione
• Invasione
• Colonizzazione/Crescita
  • Tossicità
  • Invasività: danno ai tessuti/malattia

Fattori di virulenza

Fattori che creano danno a livello funzionale, causando malattia:

• Capsula
• Adesine: specifiche proteine che si legano a specifici recettori
• Invasine
• Enzimi degradativi
• Tossine
• Meccanismi per sfuggire all’eliminazione mediata dalle difese dell’ospite

Biofilm: Struttura di derivazione batterica che facilita la colonizzazione, composta da polisaccaridi (es. placca dentale).

Tossine

Molecole prodotte dai micro-organismi che creano danno direttamente ai tessuti o innescano attività biologiche distruttive.

Esotossine

• Prodotte da Gram – e +
• Azione tossica specifica, di natura proteica
• Eliminate all’esterno, termolabili, ottimi antigeni

Endotossine

• Prodotte da Gram – (lipopolisaccaride LPS)
• Molto stabili, non distrutte da un normale processo di sterilizzazione (termostabili)

LPS presenta:

• Antigene O: catena terminale che differenzia i batteri (responsabile della specificità antigenica)
• Core: porzione costante in tutti i batteri Gram –
• Lipide A: porzione tossica

Classificazione esotossine

Specificità del bersaglio (tropismo cellulare)

• Neurotrope: SNC e SN periferico (es. tossina tetanica e botulinica)
• Enterotossine: mucosa intestinale (es. tossina colerica ed E. coli)
• Pantrope: diffusione dei recettori cellulari (tossina difterica, tossina per tossica, tossina di Shiga)

Meccanismo d’azione

• Super-antigeni (tipo 1): formazione di pori/canali trans-membrana sulle membrane integre
• Esotossine che danneggiano le membrane delle cellule ospiti (tipo 2): azione sui fosfolipidi di membrana
• Tossine dimeriche (a e b) e altre tossine che interferiscono con le funzioni delle cellule ospiti (tipo 3): penetrano nel citosol dell’ospite

Esotossine a 2 sub-unità:

• Active: penetra nella cellula e ha attività enzimatica
• Binding: serve per riconoscere il recettore specifico su cui legarsi per penetrare

Agiscono su:

• Ribosomi
• Meccanismi di trasporto
• Vie di trasmissione del segnale
• Produzione di CAMP
• Funzione della proteina G

Superantigene: Dopo il legame, stimola la produzione di citochine, innescando una risposta infiammatoria.

Tossine neurotrope

T. tetanica e T. carbonchiosa: Spore rilasciate dal tetano penetrano nell’organismo tramite la ferita, infettano il sangue, raggiungono il SNC e bloccano inibitori della contrazione muscolare, causando paralisi spastica.

T. botulinica: Spore rilasciate nell’ambiente contaminano il cibo, vengono ingerite, raggiungono l’intestino e il sistema nervoso periferico, inibiscono il rilascio di Acetil-CoA, causando paralisi flaccida (blocca i muscoli respiratori, causando morte).

Farmaci antibatterici/antibiotici

Antibiotico: Sostanza utilizzata per trattare infezioni batteriche.