Microbiologia - Appunti

Microbiologia

Batteri

Batteri: organismi unicellulari, talora riuniti in ammassi pluricellulari. Si duplicano per scissione binaria (si scindono in due cellule figlie). Nei lieviti (eucariote), si può avere una riproduzione sessuata o asessuata (gemmazione).

Dimensioni batteriche

La cellula procariota è più piccola rispetto a quella eucariota (poiché è più semplice, ha meno organelli). Di solito hanno dimensioni molto piccole, ma ci sono delle eccezioni:

• Epulopiscium shelsoni, che vive in simbiosi con un pesce;
• Thiomargarita namibensis, visibile ad occhio nudo, è un microrganismo marino che non è libero di muoversi, deve sfruttare le correnti. Ha un metabolismo particolare che utilizza lo zolfo e i nitrati: i nitrati si trovano disciolti nell'acqua in superficie, lo zolfo viene prodotto da ammassi di alghe in decomposizione sul fondale; il batterio sta di solito sui fondali, perciò immagazzina i nitrati in un vacuolo che impartisce al microrganismo le sue particolari dimensioni.

Morfologia batterica

Esistono diverse forme:

Cocchi

Si uniscono ma sono sempre separati, sono sempre unicellulari. A seconda di come si uniscono, si possono avere: streptococchi, diplococchi, tetradi, sarcine, staphylococchi (come grappoli).

Esempi:

• Streptococcus pneumoniae: un agente patogeno
• Streptococcus piogenes: si trova nel cavo orale
• Streptococcus thermophilius: usato nelle fermentazioni alimentari
• Acinetobacter baumannii: sono germi sentinella, ossia resistenti a numerosi antibiotici
• Brucella melitensis: agente eziologico della febbre maltese (o brucellosi)
• Deinococcus radiodurans: microrganismo tipicamente ambientale, non patogeno
• Staphylococcus aureus: patogeno che può causare grosse problematiche
• Staphylococcus epidermidis: si trova nella nostra cute

Bacilli

O bastoncini: bacilli, diplobacilli, streptobacilli. A seconda di come si uniscono, si possono avere: (singoli), coccobacilli → (possono passare da una forma bastoncellare a una forma coccoide: i bastoncini si accorciano, accorciamento a volte legato a condizioni ambientali poco favorevoli).

Esempio:

• Escherichia coli: sulla superficie ha dei pili (appendici esterne) che possono essere corte (fimbrie dette curli in questo organismo, poiché formati da curlina, consentono l'adesione alla cellula ospite) o lunghe (flagelli, consentono il movimento in un ambiente liquido).

Batteri incurvati

Vibrioni:

• Vibrio cholerae: un vibrione, diventa a C in condizioni non favorevoli.
• Spirillum minor

Batteri peduncolati

Tipici dell'ambiente acquatico. Sono formati da due porzioni: una sessile e una motile. Quella sessile ha un peduncolo, organo di ancoraggio; quella motile presenta il flagello, grazie al quale riesce a muoversi e a colonizzare nuove zone, dopodiché rilascia il flagello e gli cresce il peduncolo grazie al quale rimane ancorato e ritorna una cellula in grado di dividersi.

Attinomiceti

Batteri Gram+ che si sviluppano sotto forma di filamenti ramificati che possono frammentarsi o differenziare conidi.

Cellula procariota

Sotto la capsula vi è la struttura connessa intimamente con la cellula, che protegge il microrganismo dalla pressione osmotica all'interno della cellula. Non tutti i procarioti hanno la parete cellulare. Si differenzia tra i gram+ e i gram- data la diversa costituzione della parete, che dà una diversa risposta alla colorazione di Gram:

• Si aggiunge il colorante cristal-violetto, che penetra nel citoplasma dei batteri;
• Si aggiunge un decolorante: il cristal-violetto viene allontanato dai gram- perché hanno una parete cellulare sottile; permane invece all'interno dei gram+ (hanno una parete più spessa) e gli imprime perciò una colorazione blu;
• Aggiungendo fucsina, i gram- si colorano di rosa (nei gram+ prevale il blu).

Parete Gram+

Formata da uno spesso strato di peptidoglicani e un ridotto spazio periplasmatico (tra la parete e la membrana plasmatica). Sono presenti:

• Acidi teicoici: polimeri di alcoli polivalenti (glicerolo o ribitolo) esterificati con acido fosforico;
• Acidi lipoteicoici: acidi teicoici legati alla porzione lipidica della membrana citoplasmatica.

Sono i principali antigeni dei batteri gram positivi (sono quindi riconosciuti dal sistema immunitario, perché sono sempre presenti e sono presenti in superficie). Mettono a disposizione dell'involucro cellulare una elevata densità di cariche regolarmente orientate le quali probabilmente influenzano il passaggio di ioni attraverso gli strati più esterni della parete.

Parete Gram-

Ridotto strato di peptidoglicani, ampio spazio periplasmatico, membrana esterna che è uno strato lipopolisaccaridico (bilayer lipidico molto simile alla membrana citoplasmatica). Membrana esterna: formata da fosfolipidi nel foglietto interno (come membrana citoplasmatica) e da lipopolisaccaride nel foglietto esterno (strato lipopolisaccaridico).

Il lipopolisaccaride è una molecola che contiene:

• Una regione polisaccaridica (core) e una catena polisaccaridica chiamata antigene O (porzione antigenica).

- Lipide A: è una potente endotossina, che può portare a shock tossico quando l'infezione si è risolta (quando l'anticorpo ha individuato l'agente patogeno e l'ha eliminato, la degradazione della parete comporta il rilascio di lipide A). La membrana esterna è legata tramite le lipoproteine di Brown ai peptidoglicani (per mantenere la rigidità). La membrana esterna ha il compito di contrastare in parte la fagocitosi. È una sorta di protezione in quanto ostacola la penetrazione di agenti tossici.

Ci sono strutture canali, le porine (proteine che si associano a 3, formando un canale). Sono in grado di cambiare conformazione: si possono aprire e chiudere. Ci sono proteine integrali di membrana. Poi per il resto è identica alla membrana citoplasmatica. Nello spazio periplasmatico sono presenti enzimi per la degradazione di sostanze.

Peptidoglicano

Componente comune alle due classi di batteri (gram+ e gram-). È un amminozucchero formato da N-acetilglucosamina (NAG) e acido N-acetilmuramico (NAM), legati tra loro tramite legami β-1,6 e β-1,4. Al gruppo carbossilico del NAM sono legati 4 amminoacidi, diversi nei gram+ e gram-:

• Nei gram+: Ala, Lys, Glu, Ala
• Nei gram-: Ala, DAP, Glu, Ala

I legami delle due catene amminoacidiche superiore e inferiore avvengono rispettivamente tra il secondo e il quarto amminoacido della catena:

• Nei gram+, l'Ala non può legarsi direttamente alla Lys della catena sottostante, necessita infatti di un intermedio costituito da un ponte (per esempio di Gly) → si formano legami crociati indiretti (maglie più lasse);
• Nei gram-, il DAP si lega direttamente all'Ala → legami crociati diretti (catene più ravvicinate, più compattezza).

Altri tipi di parete

Mycobacterium

Parete cellulare costituita da due strati:

• Strato basale: costituito da un copolimero di peptidoglicano e arabinogalattano (polisaccaride ramificato);
• Strato esterno: costituito da acidi micolici (acidi grassi complessi a catena lunga, alchilati e cereidrossilati) e glicolipidi (glicolipidi complessi caratterizzati da catene carboniose molto lunghe e ramificate che si legano agli acidi micolici attraverso le porzioni lipidiche).

Non dà colorazione ai gram. È impermeabile grazie agli acidi micolici.

Capsula

Avvolge la cellula ma non è interconnessa ad essa, è un sistema di difesa che non tutti i batteri possiedono. Strato di materiale viscoso tenacemente aderente all'involucro cellulare (è solo appoggiato, non è legato) che circonda la parete cellulare e che presenta notevole variabilità di spessore. La capsula può essere evidenziata mediante inchiostro di china (colorazione negativa), o con colorazioni specifiche.

Struttura: omopolimeri o eteropolimeri di monosaccaridi come esosi, acido uronico ed aminozuccheri.

Funzioni:

• Aderenza: capacità di aderire alle superfici solide acquatiche o a quelle dei tessuti delle piante o degli animali;
• Protezione: difende da improvvisi cambiamenti di temperatura, dall'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.

Strato S

Componente più interna della capsula, costituito essenzialmente da proteine e glicoproteine che si autoassemblano in rete proteica dimeri, trimeri ed esameri, a formare una specie di coni 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 (poiché la capsula non serve, in vitro sono in un ambiente protetto).

Strato mucoso

Struttura amorfa (senza contorni ben definiti) di composizione variabile (può essere formato da polisaccaridi, proteine o entrambi). La mancanza di una forma ben definita è dovuta al fatto che le sostanza che lo compongono vengono rilasciate nell'ambiente dove diffondono senza avere legami specifici di alcun tipo. Funzione dello strato mucoso è quello di ridurre l'attrito cellula-cellula e cellula-superficie, favorendo lo spostamento per scivolamento.

Appendici esterne

Fimbrie

Organi di ancoraggio che ricoprono l'esterno del microrganismo e sono responsabili della loro adesione a residui proteici o polisaccaridici presenti sulla membrana delle cellule dell'organismo ospite (consentono al patogeno di aderire alla cellula che andranno a danneggiare). Le fimbrie riconoscono delle sostanze presenti sulla membrana delle cellule bersaglio (per es: mannosio, N-acetil galattosamina, galattosio, ecc).

Curl presentano in quantità variabile sulla superficie dei diversi batteri (E. coli 100-300 fimbrie, altri batteri raggiungono il migliaio). Batteri privi di fimbrie non sono in grado di colonizzare le cellule di un altro organismo e, pertanto, non sono dotati di potere infettante. 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.

Curli

In alcuni agenti patogeni (E. coli, Salmonella spp.) prendono il nome di curli. Hanno la capacità di legarsi a proteine della matrice extracellulare (come la fibronectina) o a proteine circolanti dell'organismo umano (come la plasmina), e soprattutto sono in grado di legare il complesso maggiore di istocompatibilità di classe I (MHC I). 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, può essere inoltre liberata nell'organismo ospite e dare luogo a danni di una certa entità per la sua moderata azione tossica.

Pili

Simili alle fimbrie, ma sono più lunghi e presenti in una o più copie. Coinvolti nei processi di adesione ai tessuti animali e nel processo di coniugazione. Pilo sessuale: ponte che unisce due cellule nel momento della ricombinazione genica.

Spin

Presenti in molte specie di batteri acquatici. Più voluminose dei pili e delle fimbrie. Aumentano l'area della superficie cellulare consentendo ai batteri di rimanere sospesi per lunghi periodi di tempo (consentono il galleggiamento).

Flagelli

Appendice che permette il movimento in un ambiente liquido. Può girare in senso orario e antiorario: girando in senso orario va avanti, cambiando senso di rotazione si ferma. Può fare movimenti casuali (quando si trovano in un ambiente ricco di nutrienti) o direzionali (per avvicinarsi a una sostanza attraente o allontanarsi da una repellente) e ciò avviene grazie a delle proteine segnale, che danno dei segnali che il microrganismo è in grado di interpretare. Cambia direzione quando il flagello ruota per troppo tempo nella stessa direzione (indipendente dalla concentrazione dell'attraente), se no se continua ad andare avanti esce dalla zona dell'attraente.

Il flagello comunica col citoplasma, per captare i segnali lasciati nel citoplasma (che danno informazioni sul senso di rotazione) e per ricavare l'energia. Non tutti i batteri si muovono, alcuni sono immobili (si spostano attraverso l'aria, la pioggia), altri scivolano sulle superfici attraverso la secrezione di elicina. Sono costituiti da una proteina detta flagellina, dotata di potere antigenico (riconosciuta dal sistema immunitario) (come antigene è meglio comunque l'antigene O, che è sempre espresso, invece il flagello potrebbe non esserci).

Tranne qualche eccezione sono una caratteristica esclusiva dei bacilli. In base al punto di impianto i batteri distinguono in:

• Monotrichi: un unico punto di impianto
• Lofotrichi: a ciuffo
• Peritrichi: presenti su tutto il perimetro (si raggruppano tutti nella direzione del movimento, aprendosi si ferma)

Presenta una parte esterna (che si muove) e una parte interna (rigida, per comunicare col citoplasma). Si àncora alla membrana citoplasmatica (tramite la porzione rigida). La struttura interna è cava, perché la flagellina (che costituisce la parte esterna) viene sintetizzata all'interno della cellula e viene portata fuori tramite questo canale. Le subunità di flagellina vengono poi messe in ordine (assemblate) dalla proteina CAP.

Strutture rigide

• Uncino: struttura rigida che ruota, consentendo di indirizzare il movimento
• Anelli di ancoraggio → alla membrana 2 per i gram- (anello L e P) e uno solo per i gram+ (anello P) + anello MS: ospitano le proteine fondamentali per il movimento: proteine Fli e Mot

Per ruotare il flagello ha bisogno di energia, che deriva da un “motore” formato da proteine Mot (proteine transmembrana) e Fli (presenti all'interno del motore). L'energia deriva dalla dissociazione delle cariche: passaggio di protoni attraverso le Mot che determina un cambio di conformazione, che imprime il movimento. Questo va a modificare le proteine Fli, imprimendo il senso di rotazione. Le proteine Mot si suddividono in Mot A e Mot B:

• Mot A: preposte al passaggio di protoni →
• I protoni alloggiano nelle Mot A → cambio di conformazione delle Mot B → movimento

Il cambio di conformazione continuo delle Mot imprime il movimento al motore. Esistono due tipi di proteine Fli, poiché si possono avere due tipi di rotazione: in senso orario e in senso antiorario. La sintesi del flagello è complessa: È necessario che la sua sintesi avvenga in maniera sequenziale, avviene utilizzando 3 classi di operoni:

• Quelli di prima classe si comportano da attivatori trascrizionali (attivano la trascrizione). Quando il flagello non serve (per es se i microrganismi vivono in biofilm) questi geni vengono silenziati;
• Quelli della classe 2 sono preposti alla sintesi delle proteine strutturali (corpo basale, ossia la parte rigida interna);
• Quelli di classe 3 sintetizzano le proteine del flagello e quelle preposte al movimento (Mot e Fli).

Chemiotassi

I microrganismi sono in grado di percepire sostanze attraenti o repellenti tramite dei recettori (che percepiscono segnali chimici).

Proteine sensori: proteine chemio metil-accettrici (MCP). Le MCP sono alloggiate nella membrana citoplasmatica e hanno un dominio periplasmatico (dominio sensore, che percepisce segnali chimici) e uno citoplasmatico (che attiva la risposta, ossia una cascata di segnali che porta all'inversione del senso di rotazione del flagello). Si uniscono in dimeri. Hanno 8 siti di metilazione per ogni dimero.

Trasduzione del segnale

1. Le sostanze di attraente si legano ai recettori e questi si attivano;
2. Il dominio citoplasmatico è formato dalla proteina CheA, stabilizzata dalla proteina CheW. In risposta alla presenza di attraente (o repellente), si autofosforila, attivandosi (consumo di ATP);
3. Inizia così la cascata di segnali: CheA attiva una proteina citoplasmatica, CheY, cedendogli il P (la fosforila);
4. CheY fosforilata attiva le proteine Fli → cambia il senso di rotazione (da antiorario a orario: si effettua una capriola);
5. Per ripristinare il senso antiorario CheY deve essere defosforilata: defosforilazione di CheY a carico di CheZ (moto rettilineo).

Una volta all'interno della zona attraente, deve cambiare continuamente direzione per poter rimanere all'interno di questa zona (se va sempre nella stessa direzione, va sempre dritto ed esce dalla zona) → sistema dell'adattamento, sistema di regolazione che consente di “mimare” un moto circolare (consente di cambiare direzione anche quando le proteine MCP sono sature di attraente e quindi inattive):

I siti attivi delle MCP vengono costantemente metilati da CheR → la metilazione ha un effetto positivo sulla fosforilazione di CheA, e quindi si attiva la cascata di segnali, indipendentemente dall'attraente. Proteina metilata: cambia direzione (il sistema comunica che è da troppo tempo che va nella stessa direzione). Demetilazione a carico di CheB, attivata da CheA.