Microbiologia: batteri

Batteri: definizione e caratteristiche

I batteri sono delle cellule esse stesse quindi possono essere infettati da virus. I batteri si replicano come delle cellule, non hanno bisogno di una cellula per replicarsi. I batteri sono microrganismi semplici unicellulari procarioti di piccole dimensioni.

Definizione

Un battere corrisponde ad una cellula procariotica e le sue dimensioni si aggirano intorno al micron (0.2-2 micron). I batteri si riproducono tutte per divisione binaria: da una cellula madre ottengo due cellule figlie esattamente identiche. Il battere ha già tutto il macchinario replicativo per moltiplicarsi di sua natura.

Ci sono alcuni batteri che per alcuni motivi devono entrare all’interno di una cellula. I batteri tendono a vivere in gruppi, cluster, aggregazioni. Sulla base della relazione che i batteri stabiliscono con l’organismo che infettano (uomo), si possono suddividere in:

• Batteri simbionti o commensali: vive all’interno di un organismo senza provocare alcun danno (vive in simbiosi o commensalismo), qualche volta può anche portare dei benefici all’organismo che lo ospita.
• Batteri patogeni: sono batteri che causano malattia all’organismo, vivono a spese dell’organismo che li ospita.
• Batteri opportunisti: normalmente non causano malattie, ma nel caso in cui l’ospite sia immunocompromesso causano patologia.

Il microbiota

Viene definito il microbiota che comprende tutti i batteri e i virus e gli eucarioti che compongono la normale flora batterica. In molti dei nostri organi risiedono milioni di batteri in modo commensale o in simbiosi con l’organismo. Qualche volta ci apportano dei benefici, qualche volta diventano opportunisti (battere che in un tessuto non fa nulla e in un altro causa patologia). Ci sono circa 800 diverse specie di batteri nel nostro corpo per un totale di 10¹⁴ cellule.

Si trovano a livello della cavità orale (naso, faringe), a livello delle mucose vaginali e a livello della pelle oltre alla flora intestinale. Questi batteri sono rappresentativi della flora normale dell’uomo. Questo microbiota viene acquisito durante la vita, il bambino alla nascita ha una quantità di microbioma limitatissima, i primi batteri che acquisisce sono quelli della flora intestinale che derivano dalla mamma al momento del parto e viene poi arricchita durante gli anni. Con la crescita la flora cambia, ci differenziamo in dipendenza dall’esperienze che si fanno e dal luogo in cui si vive.

La funzione del microbiota è di tipo protettivo: l’equilibrio della flora batterica aiuta il sistema immunitario ad allontanare altri patogeni producendo una serie di enzimi, inoltre hanno anche una funzione strutturale (inducono la produzione di IgA, inducono la produzione di molecole che rafforzano le giunzioni), oltre ad avere una funzione metabolica (sintesi di vitamine ecc).

Disbiosi

Quando questo equilibrio viene meno, si parla di disbiosi. Può avvenire perché si conduce una vita stressante o si mangia male (dieta troppo ricca di grassi o alcol), oppure per malattie che fanno che aumentare cellule infiammatorie, perché si hanno mutazioni a livello genetico o perché si ha alterata esposizione ai microbi. Le medicine sono causa di disbiosi.

Classificazione dei batteri

Sulla base della forma

• Cocchi (sferici)
• Bacilli (bastoncellari): forma allungata
• Spirilli (spiraliformi)
• Vibrioni (a forma di virgola)

Sulla base del raggruppamento

• Diplococchi (cocchi aggregati a due a due)
• Streptococchi (aggregazione a forma di catenelle)
• Stafilococchi (aggregazione casuale a grappolo)
• Diplobacilli
• Streptobacilli
• Coccobacilli

Sulla base della temperatura

• Batteri mesofili: quelli che vivono a temperature intermedie (20-40°) con temperatura ottimale tra i 30 e i 37°.
• Batteri termofili: crescono ad alte temperature (47-70°, la temperatura ottimale è intorno a 50-55°). Tra questi si hanno anche i batteri termofili che crescono a temperature superiori agli 80°.
• Batteri psicrofili: crescono a basse temperature (0-25°) con temperatura ottimale intorno ai 20-25°.

Sulla base del nutrimento

• Batteri eterotrofi: si nutrono di composti organici
• Batteri autotrofi: sintetizzano autonomamente composti organici a partire da composti inorganici (si nutrono di energia luminosa e chimica da cui producono composti organici)

Sulla base della loro capacità di utilizzare l’ossigeno atmosferico

• Aerobi obbligati: vivono solo in presenza di ossigeno, sono in grado di utilizzare solo la respirazione con ossigeno libero quale accettore finale di H
• Anaerobi obbligati: vivono solo in assenza di ossigeno (l’ossigeno è qualcosa di tossico per loro), per crescere utilizzano processi fermentativi
• Aerobi/anaerobi facoltativi: vivono sia in presenza che assenza di ossigeno e sono quelli che causano principalmente patologie nell’uomo. Hanno grado di sopravvivenza maggiore perché scelgono il modo in cui vivere a seconda dell’ambiente in cui si trovano.

Struttura dei batteri

Si riconoscono componenti fondamentali ovvero indispensabili per la sopravvivenza della cellula e componenti accessorie che sono facoltative.

Dall’esterno, tutti i batteri possiedono una parete batterica. Sotto a questa si trova la membrana cellulare. La parete e la membrana racchiudono il citoplasma, all’interno del quale si trovano i ribosomi batterici e il genoma che è sempre costituito da un unico cromosoma circolare. Le componenti accessorie comprendono la capsula che è un rivestimento più esterno della parete e il flagello che è una struttura che si diparte dalla parete e altre strutture chiamate pili. Infine, si possono avere dei plasmidi ovvero DNA in più rispetto a quello genomico.

Capsula

Rappresenta la parte più esterna solo di quei batteri (pochi) che la posseggono (componente accessoria). Ha una struttura molto spessa (10 micron), è costituita da polisaccaridi ad alto peso molecolare che si vanno ad organizzare fuori dalla parete formando uno strato ben definito (liscio) o in modo amorfo (del tutto casuale). Il battere si serve della capsula per attaccarsi alle cellule/tessuti quando è all’interno dell’organismo, quindi molti degli Ab verranno prodotti verso la capsula quindi la capsula rappresenta il fattore di antigenicità. La sua funzione è quella di conferire resistenza, di favorire l’adesione del battere ai tessuti dell’ospite, ma soprattutto di rendere il microorganismo resistente alla fagocitosi: un battere con capsula non viene fagocitato dai macrofagi e dalle cellule dendritiche perché non viene riconosciuta la capsula. Quindi la capsula è un fattore di patogenicità del battere. La capsula può essere presente o non presente sullo stesso battere in tempi diversi: un battere può decidere se attivare i geni che producono la capsula oppure spegnerli. Inoltre, alcune specie batteriche esistono in due forme: quelle con la capsula (altamente patogene) e quelle acapsulate (benigne).

Flagelli

Struttura accessoria di natura proteica costituiti da singoli monomeri chiamati flagelline che si aggregano in una struttura cilindrica che si attacca strettamente alla parete batterica e che serve al battere per farlo muovere (è l’organo di motilità del battere). È un corpo basale costituito da dischi sovrapposti la cui sintesi è regolata da 20-30 geni. I flagelli possono essere lunghi fino a 100 nm, di solito sono presenti in numero limitato (massimo 5 per ciascuna cellula) e si dispongono in modo estremamente regolare sulla superficie cellulare. I flagelli sono strutture rigide che ruotano su sé stessi, il loro movimento trascina la cellula batterica in avanti o indietro. Il movimento della cellula batterica non è mai dovuto alla volontà, ma è un movimento direzionale che permette alla cellula di raggiungere qualcosa che la stimola (raggiungere alta concentrazione di ossigeno, luce) oppure che le permette di allontanarsi da alte concentrazioni di sostanze tossiche. Solo i batteri che possiedono i flagelli sono detti batteri mobili (rappresenta un vantaggio per il batterio).

Pili

Sono strutture accessorie della cellula batterica di natura proteica costituiti dalla ripetizione della pilina (proteina monomerica costituente, si organizza in struttura cilindrica con cavità centrale). Sono presenti in quantità superiori, infatti ricoprono l’intera cellula batterica, sono più sottili dei flagelli. Sono fattori di patogenicità perché permettono alla cellula di aderire strettamente ai tessuti, sono utili per l’adesività della cellula batterica. Lunghezza fino a 35 nm e diametro di 7 nm. Tra questi si trovano dei pili specializzati chiamati pili sessuali che sono utili per la trasmissione del DNA con altre cellule batteriche.

Parete batterica

Senza la parete cellulare nessun battere sopravvive. Spessore che va dai 10 agli 80 micron, conferisce rigidità e soprattutto la resistenza meccanica alla lisi osmotica della cellula. Serve per aderire ai tessuti ed è sede antigenica. Sulla base della composizione biochimica della parete: tutti i batteri vengono suddivisi in due grandi gruppi:

• Batteri Gram +: la parete è composta unicamente da peptidoglicani che può essere spessa fino a 80 micrometri. I peptidoglicani sono unici (non sono presenti in nessun’altra struttura biologica), sono aminozuccheri in particolare all’interno della parete si trovano due aminozuccheri alternati tra loro e legati da legame beta-glicosidico. Questi due amino-zuccheri sono chiamati NAG (acido N-acetilglucosamina) e NAM (acido N-acetilmuramico). Ciascun NAM possiede anche una catena di aminoacidi che si legano tra loro verticalmente attraverso legami peptidici. In orizzontale il legame NAG-NAM è beta-glicosidico 1-4 o 1-6. Questa parete è caratterizzata dal fatto di essere veramente resistente, per distruggerla servono delle peptidasi.
• Batteri Gram -: è costituita da uno strato interno sottile di peptidoglicani e da uno strato più esterno composto da una struttura fosfolipidica. La membrana esterna conferisce carica negativa alla cellula, funge da barriera selettiva con pori per l’ingresso di molecole idrofiliche, è costituita da lipopolisaccaridi (LPS) e proteine. Se utilizzo un detergente lipofilico questi si decolorano per questo motivo. Sullo strato fosfolipidico ci sono molecole chiamate LPS o lipopolisaccaridi, ovvero molecole composte da una struttura lipidica, proteica e zuccherina estremamente tossiche per l’ospite. Questi lipopolisaccaridi sono conosciuti anche come endotossine. Quando un Gram - infetta l’organismo, rilascia queste endotossine che sono libere di circolare nel torrente circolatorio.

La colorazione di Gram è una tecnica utilizzata per capire la suddivisione dei batteri ancora oggi. Questa colorazione prevede che una colonia batterica venga colorata di viola. In un primo momento si colorano di viola, successivamente i batteri vengono decolorati con una sostanza che distrugge i lipidi. Una parte perde il colore, mentre un’altra parte lo mantiene. Per essere sicuri si colora con colorante rosa: quelli che erano tornati trasparenti si colorano di rosa, gli altri no. I Gram + rimangono colorati in viola, mentre gli altri diventano rosa poiché con la decolorazione si erano distrutti i lipidi dello strato esterno.

Sotto la parete batterica c’è la membrana cellulare al cui interno sta il citoplasma (un po’ più acquoso del nostro). Nel citoplasma ci sono i ribosomi 70S e il genoma batterico che è un DNA circolare doppio filamento non legato ad istoni e che codifica per tutto quello che serve al battere (genomi grandi anche un milione di nt). Qualche volta si possono essere plasmidi ovvero molecole di DNA circolare a replicazione autonoma che possono conferire resistenza ad antibiotici, farmaci o possibilità di codificare per qualche enzima.

Spore

Qualche volta si parla di spora batterica o endospora ovvero una forma di differenziamento cellulare di alcuni batteri in particolare è tipica dei Gram+. Una cellula batterica che si accorge che in quel momento, in quell’ambiente c’è una scarsa quantità di nutrienti, ossigeno, elementi tossici, può decidere di perdere la sua struttura di cellula per diventare spora. La spora è la cellula stessa che si trasforma. Solo alcuni batteri Gram+ sono in grado di sporificare perché la spora rappresenta una forma elementare di cellula che ha bisogno di pochissima acqua, ossigeno e sostanze nutrienti per potersi mantenere. Rappresenta un vantaggio per questo motivo inoltre conferisce resistenza a calore, essicamento, radiazioni UV e ionizzanti, elementi chimici (possono rimanere in vita anche per 500 anni). La spora in realtà non è una cellula, non cresce, non replica, ma rimane in uno stato vegetativo. Da un punto di vista morfologico è rappresentato da un battere che si essica, (perde membrana, ribosomi) mantiene la parete che forma 7 rivestimenti intorno al genoma. Ha forma sferica o ellittica, la parete esterna è costituita da peptidoglicani, gli strati corticali dall’interno sono organizzati in: corteccia, coat (2 strati proteici ricchi in legami disolfurici), esosporio (strato fosfolipoproteico che avvolge la spora). Perché sia favorevole alla cellula è necessario che il processo di sporificazione sia reversibile: nel momento in cui la situazione torna favorevole, la spora germina e torna ad essere cellula batterica (torna a nutrirsi e riprodursi). Le spore rappresentano un altro dei fattori di patogenicità delle cellule batteriche.

La sporificazione è un processo che avviene in 6-10 ore circa: è suddivisibile in step:

• Materiale nucleare si addensa lungo l’asse cellulare
• Segregazione dovuta a invaginazione del mesosoma
• Cellula madre avvolge la prespora determinando la doppia membrana
• Sintesi della corteccia
• Sintesi della coat
• Lisi della cellula madre
• Rilascio della spora libera

Il processo inverso alla sporificazione si chiama germinazione e avviene in diversi passaggi:

• Attivazione: ritorno a condizioni ambientali e nutrizionali ottimali per cui la corteccia viene distrutta
• Esocrescita: assunzione di acqua e ioni con ripresa delle funzioni metaboliche della cellula
• Divisione vegetativa

Crescita batterica

• Fase di latenza: adattamento ai principi nutritivi del terreno di coltura e crescita dei componenti necessari alla divisione cellulare
• Fase esponenziale o logaritmica: riproduzione batterica in progressione geometrica: 2^x dove x sta per il numero di divisioni
• Fase stazionaria: rallentamento della crescita e inizio della morte cellulare
• Fase di letalità: finisce con l’estinzione della popolazione microbica

Fattori di crescita: temperatura, pH, ossigeno e pressione osmotica

Il processo di patogenicità dei batteri

I batteri causano danno all’ospite attraverso:

• Danno diretto alle cellule/tessuto: si crea il danno diretto alle cellule immediatamente vicine ai batteri che si stanno replicando
• Danno lontano al sito in cui si trovano i batteri: il battere produce tossine che si diffondono in un altro organo bersaglio attraverso il sangue o il sistema linfatico (agiscono in modo distale).
• Ipersensibilità: il battere scatena eventi infiammatori per cui implica il sistema immunitario che causa danni.

I batteri sono in grado di causare patologie in base alle loro abilità di:

• Aderire alla superficie delle cellule, tessuti o organi in modo molto stretto da non potere essere staccate. L’adesione è il primo fattore di patogenicità. I batteri che hanno i pili (o fimbrie) sono molto abili nell’aderire. Ci sono presenti sulla superficie della parete proteine chiamate adesine che favoriscono l’adesione. Tutte le proteine presenti sulla superficie che permettono al batterio di legarsi all’ospite si chiamano adesine e possono favorire un legame più o meno forte con la cellula o il tessuto; se l’attacco è permanente si parla di ancoraggio, si tratta di un legame di tipo chiave-serratura tra adesine e recettori cellulari nell’area di contatto tra battere e cellula. In alcuni casi però è un legame reversibile, non estremamente specifico quindi facilmente eliminabile, in questo caso si parla di Docking (favorito da legami deboli). Ci sono adesine che agiscono come veri e propri recettori, legano la cellula in modo così forte da creare un legame stabile.
• Inibire la fagocitosi, quindi di non essere distrutti. È dovuta alla capsula, quindi il materiale polisaccaridico della capsula impedisce l’attacco da parte di fagociti o macrofagi. Alcuni batteri senza capsula producono leucocidine che vanno ad uccidere i macrofagi.
• Penetrare all’interno dei tessuti. È dovuta alla capacità del battere di produrre enzimi che contribuiscono alla distruzione del tessuto che stanno colonizzando.
• Produrre enzimi: gli enzimi prodotti sono: leucocidine (attaccano diversi tipi di globuli bianchi in modo da impedire la fagocitosi, rompono lisosomi quindi causano il rilascio di enzimi litici), emolisine, coagulasi, chinasi, ialuronidasi, collagenasi e fattore necrotizzante. La ialuronidasi permette la distruzione dell’acido ialuronico (tessuto connettivo) oppure batteri che producono collagenasi o emolisina (distrugge globuli rossi). Si hanno molti enzimi, ma la caratteristica comune è che permettono al batterio di penetrare nell’ospite. Tutti questi enzimi in generale vengono chiamati invasine che agiscono su uno spettro d’azione limitato: rimangono in una zona limitata al sito dove è presente il batterio, non vanno in circolo. Non devono essere confuse con le tossine.
• Produrre tossine: esistono due diversi tipi di tossine:

• Endotossine (lipopolisaccaridio di superficie dei Gram -)