Microbiologia - Appunti Completi

Microbiologia

Il termine microbiologia deriva da mikro (piccolo), bio (vita) e logia (scienza): essa è la scienza che studia i microrganismi, ossia i microbi. Questi sono esseri viventi di piccole dimensioni (microscopiche, osservati soltanto al microscopio). Tra questi microrganismi possiamo distinguere alcuni gruppi:

• Batteri
• Miceti microscopici
• Protozoi

Tutti questi microrganismi rappresentano comunque forme di vita (sono in grado di moltiplicarsi autonomamente e di riprodursi). Ogni microrganismo è costituito da cellule. La maggior parte di questi sono unicellulari, anche se ne esistono di pluricellulari; sono poi ubiquitari (avendo un comportamento elastico, sono in grado di vivere anche in condizioni di pH o condizioni estreme).

Tipi di microrganismi

Possiamo distinguere:

1. Microrganismi eucarioti (protozoi, miceti microscopici). Questi presentano un nucleo vero (il materiale genetico è circondato dalla membrana nucleare). La cellula eucariote presenta poi veri e propri apparati di membrane intracellulari (apparato di Golgi, ecc.), assenti nei microrganismi procarioti. Le cellule eucariotiche sono normalmente 10 volte più grandi di quelle procariotiche.
2. Microrganismi procarioti (batteri o schizomiceti). Questi hanno un nucleo primordiale (acido nucleico immerso direttamente nel citoplasma, non delimitato da membrane nucleari). È assente la compartimentalizzazione intracitoplasmatica.

Microbiologia medica e clinica

La microbiologia medica e clinica affronta i microrganismi patogeni per l’uomo. Questo è un organismo in grado di moltiplicarsi nei tessuti di organismi pluricellulari (animali o vegetali) provocando, con vari meccanismi, diversi processi morbosi. L'obiettivo principale della microbiologia clinica è quella di prevenire o curare malattie infettive, ossia sostenute da batteri, miceti microscopici, protozoi, virus e elminti. Questi ultimi due, però, non rientrano nella definizione di microrganismi.

Agenti infettanti studiati dalla microbiologia medica

Ma quali agenti infettanti studia la microbiologia medica?

• Batteri
• Protozoi
• Funghi (miceti)
• Elminti
• Artropodi

Tutti questi agenti infettivi sono composti da cellule. Tuttavia, mentre gli elminti e gli artropodi sono pluricellulari, i batteri e i protozoi sono unicellulari. I funghi, invece, possono essere sia unicellulari che pluricellulari. Inoltre, mentre artropodi, elminti, funghi e protozoi sono eucarioti, i batteri sono procarioti.

Per quanto riguarda i virus e i prioni, questi non sono cellule: per questo motivo non rientrano nel riquadro generale. Sono costituiti soprattutto da proteine e acidi nucleici (virus) e solo proteine (prioni).

Discipline correlate

Nell’ambito della microbiologia troviamo la virologia, prettamente correlata allo studio dei virus. Le dimensioni dei virus si esprimono in nanometri (millesima parte di un micron); sono parassiti intracellulari obbligati, ossia non in grado di moltiplicarsi al di fuori di cellule. La batteriologia, invece, studia i batteri o schizomiceti. Questi sono microrganismi procarioti, unicellulari e possiedono dimensioni che vanno fra 0.1 µm a 20 µm. La micologia studia i miceti, che possono essere distinti in micromiceti e macromiceti. Fra i micromiceti troviamo i lieviti (unicellulari) e le muffe (normalmente pluricellulari). Generalmente, i lieviti hanno dimensioni fra 2 e 10 µm e da 3 a 15 µm per le muffe.

La parassitologia è lo studio dei parassiti. Abbiamo i:

1. Protozoi. Sono microrganismi eucarioti, unicellulari, con dimensioni che vanno da 0.5 a 70 µm.
2. Gli elminti (vermi), che sono organismi eucarioti, pluricellulari, con dimensioni che vanno da pochi mm ad alcuni metri.
3. Gli artropodi. Questi sono organismi eucarioti, pluricellulari, di dimensioni che vanno da pochi mm a svariati cm. Alcuni di questi interessano la microbiologia o perché trasmettono agenti infettanti o perché causano infestazioni contagiose.

Simbiosi e flora associata

I microrganismi si trovano ovunque (ubiquitari). Quasi tutti conducono una vita autonoma (saprofiti), anche se esistono coloro che vivono in associazione con piante o animali (simbiosi). Questa simbiosi può assumere varie forme:

• Simbiosi mutualistica, dove abbiamo un beneficio reciproco: sia il microrganismo che l’organismo ospitante traggono benefici dalla simbiosi.
• Simbiosi commensualistica, dove abbiamo un beneficio unilaterale. Il microrganismo trova le condizioni per vivere e né danneggia, né provoca vantaggi al nostro organismo.
• Simbiosi parassitaria, dove il microrganismo trae beneficio dalla convivenza, a scapito dell’organismo ospitante.

Nei primi due gruppi rientrano i microrganismi della cosiddetta flora associata, mentre nel secondo gruppo abbiamo i microrganismi potenzialmente patogeni (potenzialmente, poiché il tutto dipende anche dalle condizioni dell’ambiente ospitante).

Il nostro organismo è colonizzato da migliaia di specie batteriche, alcuni funghi e protozoi. I microbi colonizzano e si trovano su tutta la superficie del nostro corpo, come la cute, ma anche e membrane mucose che si trovano in contatto con l’ambiente esterno (apparato respiratorio, digerente, urinario, genitale). L'ambiente interno (come sottomucosa, tessuti profondi, sangue, liquor, liquido sinoviale) è sterile!

Le comunità microbiche che fanno parte della flora associata si trovano in equilibrio fra di loro, che in condizioni normali non provocano patologie: queste specie microbiche, in altre parole, si controllano a vicenda e raggiungono particolari concentrazioni capaci di mantenere un equilibrio. Se viene a mancare questo equilibrio, la specie che comincia a predominare, può causare delle patologie.

La flora associata viene acquisita al momento della nascita. Lo spettro elle specie batteriche varia con l’età, il sesso, ecc. Questa flora ha molte funzioni:

• Produce sostanze utili per l’ospite, come l’acido folico o la vitamina K.
• Ha un ruolo difensivo, poiché stimola il sistema immunitario e impedisce la colonizzazione da parte di alcuni patogeni (azione antagonista).

In condizioni di immunodepressione o per altre cause, i microbi della flora associata possono “diventare” patogeni. Questi vengono chiamati patogeni opportunisti o patogeni occasionali.

La simbiosi parassitaria e l'infezione

L’infezione e la malattia rappresentano la conseguenza di una simbiosi parassitaria. L’infezione è la capacità dell’agente infettante di penetrare e moltiplicarsi nell’ospite, superando le sue difese antimicrobiche. La malattia, invece, corrisponde alla comparsa dei segni e dei sintomi di sofferenza, soggettivamente avvertibili e oggettivamente rilevabili. Può, quindi, capitare anche che il soggetto sia infettato, ma non si ammali. Esiste, infatti, la cosiddetta teoria dell’iceberg: la maggior parte dell’iceberg si trova sott’acqua: ciò che si vede è solo una piccola punta. La stessa cosa accade con l’infezione e la malattia. Molte volte il nostro organismo si infetta, ma riesce a bloccare l’infezione prima che questa provochi la vera e propria malattia (infezioni asintomatiche o subcliniche). Soltanto una piccola parte delle infezioni si traducono poi in malattia (punta dell’iceberg).

Ogni infezione è caratterizzata:

• Dal modo con cui questa comincia (infezione esogena o infezione endogena)
• Dalla sua durata (infezione acuta o infezione cronica)
• Dal modo con cui questa si conclude (infezione asintomatica o infezione che sfocia in una malattia)

Le infezioni esogene sono sostenute da agenti di infezione che arrivano dall’esterno (altri soggetti infetti, sia malati che portatori sani; artropodi vettori; materiali inanimati che fungono da veicoli dell’infezione; animali infetti, come nel caso della rabbia). Le infezioni endogene, invece, sono sostenute da microbi già presenti all’interno del nostro organismo; si tratta, normalmente, di specie batteriche che fanno già parte della flora associata. Questa infezione endogena può essere causata da un’espansione incontrollata ed eccessiva di una o più specie normalmente presenti in un distretto dell’organismo.

A volte, però, questa tipologia di infezione può essere causata anche dal trasferimento di alcuni microbi da un distretto dell’organismo abituale ad uno non abituale, dove le difese immunologiche non sono sufficienti a controllarlo.

Per quanto riguarda l’evoluzione dell’infezione, la maggior parte di queste comincia con la colonizzazione da parte di un microrganismo di una superficie corporea, più frequentemente sulle mucose (respiratoria e gastrointestinale). Alcuni microrganismi provocano le cosiddette infezioni localizzate, ossia un’infezione di una superficie corporea; questa può estendersi per contiguità, restando comunque sempre localizzata alla superficie (breve periodo di incubazione).

Altri microrganismi, invece, dal sito primario dell’infezione, possono penetrare i tessuti profondi e, attraverso il circolo sanguigno, raggiungono tessuti e organi interni (lungo periodo di incubazione). La localizzazione di determinati microrganismi è dettata dal cosiddetto tropismo, ossia la presenza di alcuni recettori per particolari virus. È per questo che alcuni virus possono infettare unicamente alcune zone corporee ben precise.

Per quanto riguarda la durata dell’infezione, la moltiplicazione o meno dell’agente di infezione e la presenza o meno della sintomatologia clinica, si possono distinguere alcuni schemi. Abbiamo, per esempio, l’infezione acuta (maggior parte delle infezioni). Ha una durata variabile, di solito breve (giorni o settimane). Gli agenti infettanti, che sono stati capaci di superare le difese innate ed instaurare l’infezione, vengono poi eliminati dalle difese immunologiche dell’organismo. Troviamo, poi, l’infezione cronica (per esempio, l’epatite B). Questa si mantiene anche in presenza di una risposta specifica dell’ospite. In questo caso, dopo la fase acuta, l’agente infettante non viene eliminato, ma continua a moltiplicarsi a livelli bassi e per lungo tempo, anche fino alla morte dell’ospite: si viene, quindi, ad instaurare una specie di equilibrio fra le risposte dell’ospite e le capacità replicative dell’agente infettante.

Poi abbiamo l’infezione latente, in cui si ha un rapporto infettivo di lunga durata, caratterizzato dall’assenza dimostrabile dell’agente infettivo. Dopo la fase acuta, si instaura una persistenza accompagnata dalla latenza biologica e latenza clinica. In altre parole, il virus resta in una modalità non funzionante, anche se risulta presente. Esiste però la possibilità di una riattivazione improvvisa dell’agente con la conseguente ripresa moltiplicativa e, quindi, dell’insorgere della malattia. Infine, abbiamo l’infezione lenta (come l’HIV), con un lunghissimo periodo di incubazione (anni), seguito da una malattia progressiva e una continua moltiplicazione dell’agente infettivo.

Le malattie infettive

Le malattie infettive sono, quindi, l’espressione dei danni strutturali e/o funzionali che l’agente infettivo provoca direttamente o indirettamente ai tessuti. L’infezione provoca un:

• Danno diretto: provocato dalla moltiplicazione dell’agente o dall’azione dei suoi prodotti.
• Danno indiretto: dovuto alla potente risposta dell’ospite (su base immunopatologica).

La cellula batterica

I batteri sono organismi unicellulari, con organizzazione procariote. Hanno dimensioni piccole (vengono osservati già al microscopio ottico), espresse in micron. Le forme più comuni degli organismi batterici sono la forma sferica e cilindrica. Sia in natura, come in terreni di coltura, i batteri possono trovarsi o come singole cellule, ma possono anche essere presenti come aggregati. Si riproducono per scissione binaria, un processo molto più semplice della mitosi, attraverso il quale, da una cellula di partenza, si hanno comunque due cellule figlie identiche.

Una delle forme batteriche più comuni è quella sferica (cocco). Come già detto, possiamo trovare anche aggregati cellulari: i più diffusi sono i cosiddetti streptococchi, dove le cellule sono disposte a catenella. Poi abbiamo gli staphylococchi, se hanno una tipica disposizione a grappolo d’uva. Abbastanza frequenti sono, infine, i diplococchi, ossia due cellule unite insieme. È importante ricordare però come, nell’ambito dell’aggregato, ogni cellula rappresenta sempre un organismo autonomo.

Un’altra forma caratteristica è quella allungata (bacillo). Poi troviamo i cosiddetti vibrioni, di forma cilindrica, ma che presentano una curvatura lungo l’asse maggiore. Se, invece, presentano più curvature lungo l’asse maggiore, abbiamo gli spirilli.

Strutture batteriche

Nella cellula batterica possiamo distinguere alcune:

1. Strutture essenziali (obbligatorie), sempre presenti, indispensabili. Cominciando dall’esterno, troviamo la parete cellulare; poi abbiamo la membrana citoplasmatica, il citoplasma. All’interno di quest’ultimo sono presenti i ribosomi e il nucleoide. Quest’ultimo indica la zona del citoplasma, dove si trova il cromosoma della cellula batterica.
2. Strutture accessorie (facoltative), non indispensabili, non sempre presenti. Partendo dall’esterno, alcuni batteri possono presentare un involucro detto capsula (di natura polisaccaridica); poi troviamo una membrana citoplasmatica, che forma una serie di introflessioni, dette mesosomi. Inoltre, all’interno del citoplasma, possono essere presenti granuli di sostanze di riserva, possiamo trovare dei cosiddetti plasmidi. Infine, possiamo trovare flagelli, pili e fimbrie, ossia filamenti di natura proteica, che sporgono verso l’esterno.

Come già detto, i batteri vengono normalmente studiati al microscopio ottico. Al fine di metterli in evidenza, prima di procedere con osservazione microscopica, le sospensioni batteriche vengono colorate, attraverso vari tipi di colorazione, così da mettere in evidenza varie strutture batteriche. Tra le colorazioni possiamo distinguere:

• Colorazioni semplici (azzurro, blu, rosa).
• Colorazioni differenziali, più complesse, che prevedono l’uso in maniera consecutiva di più coloranti. La colorazione differenziale più importante in campo di microbiologia, è la cosiddetta colorazione di Gram. Questa ci permette di differenziare i batteri in Gram positivi e Gram negativi. I primi si presentano di colorazione viola-blu, mentre i secondi assumono una colorazione rosa. Questa diversa colorazione rispecchia una struttura diversa della parete cellulare fra i due tipi di batteri.

La parete cellulare batterica

La componente principale della parete cellulare, sia dei Gram positivi che dei Gram negativi, è la mureina, o peptidoglicano o mucopeptide, un polimero che si trova solamente nei batteri, costituito da una componente peptidica e una saccaridica. La mureina contiene composti insoliti, come l’acido muramico, alcuni aminoacidi insoliti, alcuni anche in configurazione D (gli aminoacidi degli eucarioti hanno configurazione L). Molto importante è ricordare come questo peptidoglicano possa essere digerito dal lisozima e la sua sintesi, estremamente complessa, è inibita da una serie di antibiotici.

Le differenze tintoriali fra i due tipi di batteri derivano da una diversità a livello della struttura della parete batterica. La parete dei Gram-positivi, infatti, all’interno presentano la membrana citoplasmatica, mentre lo strato esterno è formato da una parete di peptidoglicano. I batteri Gram-negativi, invece, all’interno presentano sempre la membrana citoplasmatica. Però, poi, sulla parte più esterna possiedono anche un’ulteriore membrana, detta membrana esterna. Fra le due membrane è presente uno spazio, detto spazio periplasmatico. Qui, troviamo peptidoglicano formato da un numero di strati inferiore a quello che costituisce i Gram-positivi.

Andando più nel dettaglio, la parete dei Gram-positivi è molto più spessa di quella dei Gram-negativi. A livello della parte esterna della parete cellulare dei Gram-positivi, troviamo acidi teicoici e acidi lipoteicoici. La parete dei Gram-negativi, invece, è più complessa. La membrana esterna è asimmetrica: mentre il foglietto interno (RICORDA: normalmente una membrana è costituita da due foglietti di fosfolipidi, che va a costituire il cosiddetto doppio strato fosfolipidico) è formato da fosfolipidi, quello esterno è formato da una molecola detta LPS (lipopolisaccaride). Questo LPS presenta la porzione lipidica (lipide A) immersa nello strato fosfolipidico della membrana esterna, mentre la porzione saccaridica (antigene O) sporge verso l’esterno. Questo LPS è una componente importantissima dei Gram-negativi: viene chiamata anche endotossina, poiché possiede un effetto tossico.

Altre particolarità della membrana esterna sono alcune proteine di membrana, dette porine, che permettono ad alcuni nutrienti di penetrare all’interno della cellula. Troviamo, poi, alcune lipoproteine, che fungono da molecole di ancoraggio tra la membrana esterna e il peptidoglicano, che si trova nello spazio periplasmatico. La parete cellulare è presente in quasi tutti i batteri; esistono, infatti, alcune eccezioni. I cosiddetti micoplasmi non presentano la parete cellulare; le chlamidie non possiedono l’acido muramico nella parete cellulare; infine, i micobatteri possiedono la parete cellulare ricca di lipidi, anche se non si colora con il metodo Gram.

Ma a cosa serve la parete cellulare? Grazie alla presenza di peptidoglicano, la parete è una struttura molto rigida, che funge da scheletro esterno: possiede una funzione di protezione del batterio.