Microbiologia

MICROBIOLOGIA= studia i microrganismi e la loro attività.

Esistono due tipi fondamentalmente differenti di cellule microbiche: quelle procariotiche e quelle eucariotiche.

 PROCARIOTI: Organismi con struttura cellulare semplice ed un nucleo primitivo non separato da alcuna vera

membrana dal citoplasma.

Le cellule maggiormente rappresentative del gruppo dei Procarioti sono quelle batteriche.

 EUCARIOTI: Questi organismi sono caratterizzati da una cellula avente un nucleo delimitato da una

membrana che lo separa dal citoplasma, organelli interni (mitocondri, cloroplasti…), complessi di membrane.

Appartengono al gruppo degli Eucarioti: le alghe, i funghi, i protozoi, le piante superiori e gli animali.

I microrganismi possono essere:

 causa di malattie che colpiscono il regno vegetale e animale;

 causa di degradazione degli alimenti;

 essenziali per la vita;

 necessari per i cicli geochimici e la fertilizzazione del suolo;

 utilizzati come biomassa e produttori di farmaci e molecole per uso industriale.

DIFFUSIONE DEI MICRORGANISMI NELL’OSPITE

Possono diffondersi e colonizzare con varie modalità:

attraverso le vie linfatiche con cui possono raggiungere qualsiasi distretto dell’organismo o attraverso il torrente

ematico grazie al quale per via diretta o indiretta, arrivano ad ogni distretto dell’ospite.

INTERAZIONE OSPITE-MICRORGANISMO

SIMBIONTI: quando il rapporto tra organismo e microrganismo determina un vantaggio per entrambi.

COMMENSALI: se vivono senza apparente beneficio per l’organismo ospitante.

PATOGENI: quando sono in grado di insediarsi in tessuti dell’ospite alterando le funzionalità dell’organismo

SAPROFITA: organismo che utilizza sostanze organiche non viventi (esempio materia organica in

decomposizione)

PATOGENI CONVENZIONALI: se, moltiplicandosi nei tessuti dell’ospite, producono sostanze tossiche

determinando l’insorgenza di un quadro morboso.

PATOGENI OPPORTUNISTI: quando specie commensali invadono i tessuti dell’ospite dove non sono abituati a

stare con conseguente processo infettivo.

PATOGENICITA’ E VIRULENZA DEI MICRORGANISMI

Patogenicità: potenzialità di una specie microbica di penetrare i tessuti dell’ospite e di moltiplicarvisi causando

nell’ospite un fatto patologico.

Virulenza: misura della patogenicità dei microbi ovvero la loro capacità di indurre alterazioni a carico dei tessuti

dell’ospite.

Perché un agente infettivo possa causare uno stato di malattia deve essere in grado di

a. Penetrare all’interno dell’ospite

b. Colonizzare i tessuti dell’ospite

c. Resistere ai meccanismi difensivi dell’ospite

d. Danneggiare i tessuti dell’ospite

MALATTIA INFETTIVA= consiste nella penetrazione e nel successivo sviluppo

di un germe patogeno nell’organismo. Si manifesta solo quando il germe ha

modo di esplicare la sua azione patogena e si realizza solo se l’agente

infettante abbia una certa carica patogena e sia in grado di superare le

capacità difensive dell’ospite.

TRASMISSIONE ORIZZONTALE: infezione tramessa dall’ambiente a una

persona o da persona a persona (dall’esterno)

 MALATTIE DA INFEZIONE ENDOGENA

Trovano la loro causa nell’abnorme espansione numerica di una o più specie presenti nella popolazione microbica

normale di un distretto dell’organismo (esempio enteriti da stafilococchi, mucositi da Candida) o nel trasferimento di

microrganismi presenti nella popolazione microbica normale di un distretto dell’organismo, in altre sedi o distretti

diversi da quelli normalmente colonizzati (esempio infezioni delle basse vie urinarie da batteri intestinali).

 MALATTIE DA INFEZIONE ESOGENA

Sono causate dall’arrivo nell’organismo di un microrganismo patogeno proveniente da una qualsiasi sorgente

esterna. Le sorgenti possono essere: esseri umani infetti/portatori, animali infetti (zoonosi), ambiente (acqua, terra,

aria) o oggetti contaminati.

 vie aerogene: vie respiratorie

 via oro-fecale: introduzione di alimenti o bevande infetti

 contagio sessuale

 inoculazione diretta o penetrazione traumatica: ferita, ago infetto ecc.

 punture di insetti, morsi o graffi di animali: zecche, pidocchi, morsi di cani ecc.

CATEGORIE DI PORTATORI:

- Convalescente: malato guarito che continua ad eliminare patogeni per un periodo di tempo.

- Permanente o cronico: malato guarito che ospita il patogeno a vita dopo la guarigione (Esempio salmonella)

- Precoce: soggetto infettato e in fase di incubazione che ospita il patogeno

- Sano: soggetto sano ma che ospita ed elimina il patogeno

TRASMISSIONE VERTICALE: infezione trasmessa da mamma a figlio

 infezioni congenite: infezioni durante la vita intrauterina, microrganismo trasmesso durante la gravidanza (se

l’infezione viene assunta nei primi 3 mesi di vita dà origine ad aborto, poi porta dei gravi deficit o

malformazioni)

 infezioni perinatali: acquisite durante il parto naturale (il bambino può acquisire microrganismi presenti nella

vagina che possono essere asintomatici) per evitare questo viene fatto un tampone prima del parto

 infezioni postnatali: trasmesse da madre a figlio tramite l’allattamento

Differenza tra VEICOLO e VETTORE. I veicoli sono qualcosa di inanimato (strumento, alimento, suolo, acqua).

Il vettore è un essere animato (insetto ecc.) e possono essere dei trasportatori o degli ospiti (organismo dove avviene

una parte del ciclo riproduttivo del microrganismo).

SERBATOIO= ambiente in cui i microrganismi stanno normalmente

SORGENTE= ambiente dal quale il microrganismo passa all’ospite

Possono coincidere oppure dal serbatoio passano alla sorgente.

POTERE PATOGENO: risultante dei vari fattori che permettono al microrganismo patogeno di invadere i tessuti di un

organismo e di moltiplicarvisi alterando il funzionamento dell’organismo.

È definito da: fattori di virulenza, stato di salute immunitaria dell’ospite e carica batterica (numero dei batteri

infettanti)

L’esposizione di un individuo ad un microrganismo può avere tre esiti.

Il microrganismo può:

1. colonizzare l’individuo in modo transitorio;

2. colonizzare l’individuo in modo permanente;

3. produrre malattia.

I microrganismi che colonizzano l’uomo sia per brevi periodi che in modo permanente in genere non alterano le

normali funzioni dell’ospite.

La malattia si instaura quando l’interazione tra microrganismo e ospite induca un processo patologico caratterizzato

da un danno per l’ospite; Il processo patologico può dipendere da prodotti e fattori microbici (esempio: danno

causato dalla moltiplicazione batterica, produzione di enzimi e di tossine) o da una alterata risposta immunitaria

dell’ospite contro il microrganismo (esempio: stati di immunodepressione).

La capacità di invadere e moltiplicarsi di un batterio è strettamente associata a una serie di meccanismi di virulenza

che permettono al microrganismo di:

Aderire alle cellule dell’ospite;

 Invadere i tessuti dell’ospite;

 Resistere all’immunità innata;

 Evadere l’immunità adattativi;

 Competere per i nutrienti.

 I BATTERI cellula batterica

Composizione:

 80% di acqua. È il solvente in cui sono disciolti i costituenti

 Componenti inorganici come potassio, sodio, calcio, ferro, magnesio, zinco

 Componenti organici come proteine, zuccheri, RNA e DNA

Componenti:

Membrana citoplasmatica =struttura che racchiude il citoplasma batterico e delimita la cellula

 funzioni: - regola il trasporto dentro e fuori dei prodotti indispensabili per il metabolismo batterico

o -provvede alla sintesi di molti componenti strutturali

-interviene nel meccanismo del materiale genetico durante la riproduzione cellulare

-realizza un equivalente mitocondriale con il suo sistema di membrane nelle quali sono

contenuti gli enzimi respiratori della cellula

struttura: doppio strato simmetrico di fosfolipidi in cui sono immerse diverse proteine che intervengono

o in molti processi come produzione di energia o trasporto di nutrienti

Citoplasma

 Composizione: ricco d’acqua proteine e lipidi. Non c’è RE, apparato di Golgi e mitocondri. I ribosomi sono

o formati dal 60% di rRNA e dal 40% di proteine con costante di sedimentazione 70s

Cromosoma batterico= singola molecola di DNA circolare raggomitolata e immersa nel citoplasma. È

 collegato alla membrana attraverso i mesosomi (=particolari strutture membranose). Non è legato a istoni

Materiale cromosomico extracromosomiale: numero di elementi genetici e accessori denominati

 Plasmidi= porzioni di DNA a doppia elica, in grado di replicarsi autonomamente e presentano scarsa

o omologia di sequenza di basi. Possono essere presenti plasmidi differenti e le loro informazioni

genetiche non sono essenziali alla sopravvivenza della cellula

Episomi= plasmidi che si integrano con il cromosoma batterico in modo permanente o temporaneo

o

 Parete cellulare= struttura che si trova all’esterno della cellula batterica al di sopra della membrana

plasmatica. Conferisce la struttura cellulare e la protegge dalla lisi osmotica.

 Struttura: formata da peptoglicano (polimero di carboidrati e acido muramico)

 Differenzia i batteri in Gram + o in Gram- a seconda sia più o meno permeabile e spessa.

 Parete cellulare nei Gram+: numerosi strati di peptoglicano. Consentono il passaggio di

sostanze idrofile e questa struttura permette a questi batteri di vivere in ambiente ipotonico

 Parete cellulare nei Gram-: sottile strato di peptoglicano circondato da unno strato chiamato

membrana esterna con struttura bilaminare asimmetrica. Il foglietto esterno è costituito da

LPS (lipopolisaccaride batterico) formato da lipidi, corta catena di zuccheri e una lunga

catena polisaccaridica

 Capsula= strato lasso, viscoso mucopolisaccaridico o proteico che circonda i batteri Gram+ e Gram–. Nel

caso sia poco aderente e poco uniforme per densità e spessore, questo materiale è definito strato mucoso o

glicocalice. Non è fondamentale per la vita dei batteri infatti non è presente in tutti.

Funzioni: permette ai batteri di aderire ai tessuti (è appiccicosa) e di formare biofilm (colonizzare

o particolari nicchie ecologiche). Ha anche proprietà antifagocitaria (impedisce il riconoscimento del

batterio da parte della cellula fagocitaria)

 Flagelli= appendici filiformi proteiche che si proiettano all’esterno della membrana citoplasmatica e della

parete.

Funzione: movimento

o Struttura: filamento elicoidale sprovvisto di membrana formato da flagellina

o Movimento: orario o antiorario

o Esclusivo per i batteri di forma cilindrica

o Disposizione:

o

Pili= appendici proteiche esterne che servono per ancorare e permettere l’iniziale colonizzazione della

 superficie mucosa e l’avvio del processo infettivo

Funzione: aderenza e aggregazione

o Composto da pilina

o Particolari pili: pili sessuali per i processi di coniugazione batterica

o

GENETICA BATTERICA

I batteri seguono le leggi della genetica classica.

Le molecole informazionali sono le stesse che regolano la trasmissione dei caratteri nella cellula eucariotica, ovvero

DNA ed RNA.

Un batterio è come tutti gli esseri viventi l’espressione (fenotipo) di un codice genetico (genotipo).

Il gene è definito come un segmento di DNA che contiene nella sua sequenza nucleotidica l’informazione per un

determinato carattere

Per GENOMA batterico si intende tutto il DNA presente in una cellula batterica a prescindere dalla localizzazione.

Consta di due componenti:

 Cromosoma: contiene geni essenziali per la sopravvivenza (geni housekeeping)

 Mobiloma: contiene geni non essenziali ma che possono rappresentare un vantaggio selettivo per il battere.

Includono:

• Plasmidi

• Profagi

• Elementi genetici mobili. Questi elementi genetici si trasferiscono tra i batteri attraverso i meccanismi di

scambio genetico orizzontale (trasformazione, coniugazione e trasduzione) contribuendo all’evoluzione dei

genomi batterici

Il cromosoma batterico possiede alcune caratteristiche peculiari:

 È una singola molecola di DNA, i batteri sono microorganismi aploidi (eccezione due cromosomi circolari in

Vibrio cholerae)

 È bicatenario e circolare (in rare eccezioni è lineare come in alcuni streptomiceti e Borrelie)

 È superavvolto

 Assenza di istoni

 Dimensioni variabili (da 0,2 a 9 × 106 coppie di basi)

 I geni sono privi di introni, non codificano poliproteine, non sono sovrapposti

PLASMIDI Elementi genetici accessori extracromosomici, presenti nella maggior parte dei

batteri

- DNA bicatenario e circolare.

- In un singolo batterio possono essere presenti numerosi plasmidi differenti in

singola copia o più copie.

- Si replicano autonomamente

- Possono essere acquisiti o persi dal battere.

- Hanno dimensioni da poche ad alcune centinaia di migliaia di nucleotidi

- Hanno scarsa o assente omologia di sequenza con il DNA cromosomico.

Funzioni: codificano per prodotti utili in particolari situazioni.

Le funzioni dei geni codificati dai plasmidi possono essere:

• Metaboliche: utilizzo e produzione di sostanze

• Resistenza: agli antibiotici, agli ioni, ai raggi U.V. In questo caso i plasmidi sono

denominati Fattori R

• Virulenza: produzione di adesine o tossine

Alcuni plasmidi contengo geni che permettono loro di essere trasferiti da una

cellula batterica ad un’altra e vengono definiti: coniugativi.

Il trasferimento può essere sia tra batteri della stessa specie che di specie diverse

FATTORE F

è un plasmide coniugativo, extracromosomico, formato da una molecola circolare di DNA, contiene l’informazione

genetica sufficiente per la propria replicazione e può essere trasferito ad un batterio ricevente che ne è privo.

I geni codificano la sintesi di particolari appendici (pili cavi), dette pili sessuali o pili F. Il fattore F contiene anche un

gruppo di quattro elementi IS (sequenze di inserzione).

Se cellule contenenti un plasmide F (F+) sono mescolate con cellule che prive (F-)

si ha la formazione di “coppie coniugative” per l’attacco del pilo F alla cellula F-.

In seguito a tale contatto uno dei due filamenti del plasmide viene tagliato e passa

nella cellula F-.

Completato il trasferimento, il filamento di DNA viene completato con la sintesi

del filamento complementare e viene ricircolarizzato.

La cellula ricevente ora possiede un plasmide F completo che è in grado di

trasferire ad una cellula F-.

Viene trasferito un filamento singolo di F. Nel ricevente viene sintetizzato il

filamento complementare. Una copia del cromosoma con F rimane nella cellula

donatrice dopo la replicazione della singola elica restante

Il fattore F è un fattore citoplasmatico: perché possa avvenire la ricombinazione F deve realizzare la sua condizione

alternativa di episoma (il plasmide si integra nel cromosoma) tramite ricombinazione tra una IS di F ed una IS del

cromosoma batterico.

Questo comporta la perdita dell’autonomia replicativa, ma non la possibilità di esprimere i propri geni.

Al fattore F integrato nel cromosoma si dà il nome di Hfr (high frequency of recombination),

perché frequentemente promuove il trasferimento di geni dal donatore al ricevente e la loro

ricombinazione.

Quando una cellula Hfr stabilisce un contatto con una cellula F–, invece di trasferire solo il

fattore F, trasferisce una parte o tutto il DNA cromosomico, conservandone una copia.

Il ponte coniugativo è fragile e il trasferimento intero impiega 90 minuti quindi avviene

raramente, la porzione di fattore F rimasta in coda raramente viene trasferita e la cellula

ricevente rimane F-.

Come può accadere che un plasmidio F+ diventi Hfr, così può accadere anche il contrario, cioè che il fattore F si

distacchi dal cromosoma.

La possibilità di trasferimento intercellulare di materiale genetico possedute dai batteri sono numerose ed esse sono

possibili attraverso molteplici meccanismi.

Insieme alla variazione del genoma conseguenti alle mutazioni, alla presenza di elementi genetici extracromosomici

e di elementi genetici trasferibili, esse conferiscono al genoma batterico una plasticità che permette la selezione di

cellule in grado di adattarsi, praticamente, a qualsiasi ambiente e a qualsiasi situazione.

ELEMENTI GENETICI TRASPONIBILI

Sono segmenti di DNA cromosomico o plasmidico mobili in grado di traslocare, nell’ambito della stessa cellula.

A differenza dei plasmidi non contengono informazioni genetiche necessarie per la propria replicazione.

L’inserzione della copia dell’elemento trasponibile ha un effetto mutageno. L’effetto mutageno può dare luogo a

mutazioni letali o mutazioni non letali: se non è letale, l’inserzione può provocare la perdita della funzione

codificatrice originale ma determina la possibilità di codificare la nuova informazione ricevuta.

Sono rappresentati da:

Sequenze di inserzione (IS): sono piccoli tratti di DNA in grado di codificare solo le funzioni necessarie

 all’inserzione di una loro copia in una nuova residenza genomica. Gli estremi sono caratterizzati dalla

presenza di corte sequenze nucleotidiche ripetute con la funzione di consentire l’inserzione e il successivo

definitivo legame con il DNA bersaglio. L’unica conseguenza della loro trasposizione è un effetto mutageno.

Trasposoni (TN): sono tratti di DNA di dimensione maggiore e di più complessa organizzazione. Nella parte

 centrale o core del trasposone c’è una serie numerosa di geni che codificano per enzimi con funzioni diverse.

Ad esempio, geni che codificano per enzimi in grado di inattivare alcuni farmaci antibatterici, producono

tossine, o codificano fattori di virulenza.

Elementi invertibili: sono simili ai trasposoni. Oltre ai geni che codificano per i materiali necessari alla

 trasposizione, codificano per la DNA-invertasi, un enzima capace di