Microbiologia-Batteriologia

Batteriologia

I batteri sono microrganismi unicellulari che non presentano nucleo ben organizzato, non contengono clorofilla e si riproducono con scissione binaria. Sono organismi procarioti, e in quanto tali non presentano membrana nucleare né nucleolo, ma solo un unico cromosoma circolare; mancano inoltre ergastoplasma e reticolo endoplasmatico. Essi vengono classificati secondo vari attributi, tra cui i più importanti sono la famiglia, il genere e la specie. Esistono dei criteri classificativi che tengono conto degli aspetti morfologico, biochimico e antigenico.

Proprietà morfologiche

Le proprietà morfologiche sono l'aspetto macroscopico della coltura, l'aspetto microscopico ossia dimensione, forma ecc., e le proprietà tintoriali, ossia le differenti reazioni ai vari tipi di colorazione; le proprietà biochimiche comprendono le condizioni ottimali di crescita ossia pH, temperatura ecc. e la capacità di fermentare alcuni prodotti; le proprietà biologiche comprendono invece la patogenicità, le caratteristiche sierologiche e la sensibilità al batteriofago.

Preparati microscopici

I preparati microscopici si distinguono in preparati a fresco - a strato sottile o a goccia pendente - e in preparati colorati - con colorazioni semplici o speciali. I preparati colorati utilizzano appunto i coloranti, ossia sostanze chimiche capaci di fissarsi ad un substrato impartendogli una colorazione. Un substrato può assumere il colore in maniera totale e omogenea oppure in maniera parziale, con differenti tonalità a seconda delle proprietà basiche o acide. In batteriologia si utilizzano coloranti basici.

Tipi di colorazioni

Esistono diversi tipi di colorazioni, diretta e indiretta (che utilizza mordenti come acido fenico, idrato di potassio e sodio, acido acetico). Inoltre, le soluzioni colorate possono essere acquose, alcoliche, idroalcoliche o mordenzate.

Coloranti semplici

I coloranti semplici maggiormente utilizzati sono il violetto di Nicolle, il bleu di metilene, la safranina e la fucsina, con tempi di presa che variano dal minuto ai cinque, e permettono di stabilire forma, dimensione, stato di aggregazione.

Coloranti speciali

I coloranti speciali sono la colorazione di Gram, di Ziehl-Neelsen e di Neisser-Gins. L'allestimento del preparato colorato prevede la distensione del materiale, l'essiccamento, la fissazione, la colorazione, lavaggio con acqua, asciugamento, osservazione al microscopio.

Colorazioni specifiche

Colorazione di Gram

Violetto di Nicolle + iodio formano un complesso che non si dissocia dall'alcool. La colorazione si esegue con distensione e fissazione del preparato, colorazione con violetto di Genziana o di Nicolle, applicazione del liquido di Lugol, decolorazione con alcool etilico e acetone, lavaggio con acqua, colorazione di contrasto con safranina. Con questa colorazione i batteri Gram + appaiono colorati in violetto, i Gram - in rosso. Questo è dovuto alla differente composizione della parete di questi batteri, in quanto nei gram- presentano uno strato lipidico esterno solubilizzabile dall'alcool, che riesce a penetrare e decolorare.

Colorazione di Ziehl-Neelsen

Fucsina fenicata, decolorazione con alcool e acido solforico, lavaggio con acqua, bleu di metilene. I micobatteri sono soggetti prediletti in quanto sono alcool resistenti, a causa della guaina lipidica che li avvolge, dei componenti lipoproteici e della presenza di sostanze acido-resistenti.

Colorazione di Neisser-Gins

Soluzione A con bleu di metilene, alcool etilico, acido acetico e acqua distillata. Soluzione B con cristal violetto, alcool etilico e acqua distillata. Soluzione di Gins con acido lattico e liquido di Lugol. La colorazione evidenzia i bacilli difterici.

Morfologia batterica

I batteri si distinguono tra loro in classi a seconda della precisa morfologia che li caratterizza: esistono i cocchi, di forma rotonda, i bacilli, di forma allungata cilindrica, i vibrioni, ricurvi su un piano, e gli sprilli, ricurvi su più piani. In generale, la cellula presenta morfologia variabile con dimensioni che variano tra gli 0.5 e i 2 micron. Sono formati prevalentemente da ossigeno, carbonio, idrogeno e azoto, più altre sostanze aggiuntive presenti in minor quantità come zolfo, fosforo, potassio, sodio, calcio ecc. Questi componenti, come in tutte le cellule, danno vita a composti inorganici come acqua e sali minerali, e organici come carboidrati, proteine, lipidi ecc. L'acqua, in particolare, rappresenta una delle componenti principali, presente infatti in una percentuale che varia tra il 70 e il 95 %, mentre tra i componenti organici spiccano soprattutto le proteine (15%), a causa della presenza di strutture proteiche che rivestono i batteri (capsula ecc.).

Anatomia batterica

L'anatomia batterica studia le strutture e le funzioni della cellula batterica, e divide le strutture in fondamentali, ossia indispensabili alla vita del batterio, e facoltative, senza le quali il batterio può sopravvivere ugualmente. Partendo dall'esterno e spostandoci verso l'interno, le strutture che incontriamo sono le seguenti:

Ciglia o flagelli (facoltativo)

Le ciglia presenti sulla superficie esterna dei batteri presentano una lunghezza che spesso supera quella del corpo stesso, con un diametro che varia tra gli 0.01 e gli 0.05 micron. Si tratta di strutture flessibili e fragili, che si agganciano alla cellula tramite il corpuscolo basale, che attraversando la membrana, la parete e la capsula penetra nel citoplasma. Sono rivestite da guaina e costituite da catene polipeptidiche di flagellina, una proteina elastica che ne facilita il movimento. Le ciglia svolgono alcune importanti funzioni: aumentano la superficie di scambio di metaboliti, presentano antigene H e permettono la mobilità del batterio grazie a movimenti semi circolari che gli permettono di avanzare. Essendo strutture facoltative, i batteri possono essere classificati in base alla presenza o meno e alla posizione delle ciglia sulla superficie. Se non presentano ciglia, si dicono atrici; se presentano un solo ciglio ad un polo, si dicono monotrici; se presentano un ciglio per poli, anfitrici; se presentano un ciuffo di ciglia ad un solo polo, lofotrici; se invece presentano ciglia sparse su tutta la superficie, si dicono peritrici. Una colonia batterica si definisce monocitogenetica.

Fimbrie o pili (facoltativo)

I pili sono strutture simili alla ciglia ma che si distinguono da esse per alcuni aspetti. Innanzitutto, sono molto più corti (1/2 millimicron) ma con un diametro maggiore; inoltre, presentano disposizione peritrica e la loro funzione principale non è tanto quella di promuovere il movimento quanto di favorire l'adesione. Sono costituiti da una proteina chiamata pilina, e si originano direttamente dal citoplasma. A seconda della tipologia e disposizione dei pili, i batteri si classificano in tipo I, II, III, IV e V, e possono presentare un pilo accessorio denominato pilo sessuale, che ha la funzione di mediare la coniugazione.

Capsula (facoltativo)

La capsula è una struttura facoltativa formata da polisaccaridi, proteine, polipeptidi, aminozuccheri e lipidi (nei gram -). Questa struttura si presenta in tre modalità, tra le quali intercorrono delle lievi differenze: strato mucoso, microcapsula e capsula. Lo strato mucoso si presenta sottile e disorganizzato, distribuito sulla parete in maniera irregolare e amorfa, e risulta scarsamente adeso a questa tanto da essere facilmente asportabile; la microcapsula invece è una struttura ben organizzata e adesa alla parete cellulare, ma risulta visibile solo se evidenziata immunologicamente; la capsula, infine, presenta le stesse caratteristiche della microcapsula ma risulta essere di spessore maggiore, abbastanza da poter essere rilevata da un microscopio ottico. Diversi batteri possono presentare diversi tipi di capsula, e possono esserne provvisti (colonia S liscia) o sprovvisti (colonia R rugosa). La funzione principale della capsula è la virulenza (protegge microrganismi morbosi da anticorpi e antibiotici), inoltre protegge da essicamento, fagocitosi ecc, presenta un antigene, costituisce il materiale di riserva metabolica ecc.

Parete cellulare (facoltativo)

La parete cellulare è una struttura che, se presente, si trova al di sotto della capsula e come rivestimento della membrana cellulare. È formata da glicoproteine, lipopolisaccaridi e glicopeptidi, ed è evidenziabile tramite processi di plasmolisi, disintegrazione con ultrasuoni o digestione enzimatica. La parete cellulare risulta uno degli strumenti più indicati nel distinguere batteri gram + da gram -. Varia, infatti, la composizione della struttura nei diversi tipi di batteri: solamente i gram + possiedono acidi teicoici come componenti strutturali, in aggiunta a mucopeptidi e glucosamina, mucopolisaccaridi e aminozuccheri, e pochi amminoacidi. I gram -, invece, non possiedono acidi teicoici e presentano meno mucopeptidi e un numero molto elevato di amminoacidi. In entrambe le specie, tuttavia, il componente fondamentale è il peptidoglicano, formato da acido muramico e N-acetil glucosamina. La formazione della parete cellulare avviene in tre differenti passaggi sequenziali: in sede citoplasmatica, in sede membrana e in sede parete. La formazione inizia in sede citoplasmatica, in cui prende vita la sintesi di acido muramico e N-acetil glucosamina. Quest'ultima si sposta poi a livello di membrana, mentre l'acido muramico è trasportato lì tramite un trasportatore specifico. A livello di membrana dunque si verifica l'unione dei due componenti fondamentali a formare il peptidoglicano, che viene trasportato alla parete e saldato a quelli già presenti in parete tramite legame trasversale per transpeptidasi tra terzo peptide e alanine di fronte. I legami del gram + sono più forti in quanto la loro parete risulta più spessa a causa dell'alta pressione osmotica. Le funzioni della parete cellulare sono in primis il sostegno, inoltre favorisce la penetrazione dei coloranti, presentano antigene, partecipa al metabolismo della cellula e conferisce recettività ai fagi.

Membrana citoplasmatica (fondamentale)

La membrana citoplasmatica è una struttura fondamentale fortemente adesa alla parete che al microscopio elettronico presenta la classica struttura trilaminare delle membrane eucariotiche, con due strati fosfolipidici che si dispongono con la coda idrofobiche rivolte verso l'interno. La membrana è costituita da proteine per il 60%, da lipidi per il 25% e da polisaccaridi per la restante parte. Presenta inoltre molti enzimi della catena respiratoria ed enzimi della fosforilazione ossidativa. La funzione principale della membrana è quella osmotica, inoltre favorisce la respirazione cellulare, la riproduzione grazie alla presenza di mesosomi, la sintesi della parete cellulare e la secrezione di enzimi come le permeasi per la regolazione degli scambi.

Mesosomi (fondamentale)

I mesosomi sono invaginazioni della membrana plasmatica tipiche delle cellule batteriche e presenti in ognuna di esse, per l'intera lunghezza della membrana. Le loro funzioni principali sono di favorire la respirazione cellulare, la divisione cellulare e la formazione della parete.

Citoplasma (fondamentale)

Con citoplasma si intende l'area citoplasmatica, che potrebbe essere confusa con l'area nucleare che nei batteri non presenta rivestimenti. Il citoplasma invece si trova in costante stato di gel, è formato da acqua per l'80%, da ioni inorganici e metaboliti a basso peso.

Ribosomi (fondamentale)

I ribosomi sono strutture fondamentali costituiti da RNA e proteine distribuite in due subunità, la più grande di 50S e la più piccola di 30S. La loro funzione è di essere sede della sintesi proteica.

Nucleo (fondamentale)

Il nucleo, o meglio detto area nucleare, è una struttura cellulare costituita da un unico cromosoma circolare superspiralizzato ad opera della DNA girasi batterica, che lo compatta e lo contiene. Spesso è possibile notare la presenza di due cromosomi se la cellula si trova in fase predivisionale.

Inclusioni (facoltativo)

Le inclusioni sono elementi facoltativi costituiti da particelle solide che si trovano nel citoplasma delle cellule batterica in maniera non costante, a seconda della fase del ciclo vitale in cui si trova la cellula. Sono strutture che rappresentano il materiale di riserva metabolico di questi microrganismi, e tra esse si distinguono i granuli di volutina, di glicogeno, di lipidi, di amido, l'inclusioni di zolfo e di carbonato di calcio. I granuli di volutina, in particolare, sono presenti a seconda della specie batterica, della fase del ciclo vitale e della composizione del terreno di coltura. Sono composti da polimetafosfati, e permettono la distinzione tra batteri difterici e pseudodisfterici.

Spora batterica (facoltativo)

La spora batterica è una formazione endocellulare sferica/ovoidale con grandezza e posizione variabili da batterio a batterio. In base, quindi, alla sua posizione, i batteri vengono classificati in battridi (spora in posizione centrale che non deforma il corpo), in clostridi (spora centrale che deforma il corpo) e in plettridi (spora terminale che deforma il corpo). I cocchi non presentano mai spore. Al microscopio la spora è rifrangente e non si lascia penetrare dai colori. Essa è composta da fosforo, potassio, rame, magnesio e calcio, che sono presenti in maggior quantità rispetto alla cellula vegetativa, ma presenta meno acqua e una quantità considerevole di acido dipicolinico. Anche il rapporto DNA/RNA è maggiore nella spora rispetto alla cellula vegetativa, in quanto contiene oltre al suo anche il cromosoma vegetativo). La funzione fondamentale della spora è quella antigenica. La spora presenta scarse attività enzimatiche ed è molto resistente a insulti come essicamento, radiazioni e calore. Grazie a questa proprietà, in stato di letargo può sopravvivere per molti decenni. La spora si può osservare al microscopio elettronico e presenta una struttura molto caratteristica. Dall'esterno verso l'interno, troviamo un esosporio lipoproteico, un rivestimento esterno, un rivestimento interno, una cortex, la parete, la membrana, il citoplasma, ribosomi e materiale nucleare. La spora si forma per sporogenesi da una cellula vegetativa, che duplica il suo DNA e permette il distacco della spora come entità indipendente. Il passaggio invece da spora a cellula vegetativa è detto germinazione. La resistenza della spora, che è una delle sue più importanti qualità, è dovuta alla presenza di una membrana lipidica che ostacola la penetrazione delle sostanze, dalla grande presenza di ioni calcio che riduce la permeabilità e dall'elevato contenuto di dipicolinato che contribuisce alla termoresistenza. Grazie alle spore, le specie batteriche possono diffondersi e distribuirsi per via aerea.

Riproduzione batterica

La cellula batterica, se inserita in un terreno che rispetti le condizioni ottimali di crescita (pH, temperatura ecc.), si duplica ad intervalli regolari. Il tempo che intercorre tra l'inizio di una divisione e la successiva è definito tempo di generazione, ed è costante per specie. Caratteristica particolare dei cocchi è che in essi la divisione può avvenire lungo tutti i piani, verso qualsiasi direzione, e anche questa è costante per specie; nei bacilli, invece, la divisione può seguire un solo piano (singoli bacilli o uno dietro l'altro). Prima della divisione batterica si verifica la tipica fase predivisionale in cui si duplica il DNA, la cellula si ingrandisce e si allunga, e aumentano i processi di biosintesi cellulare. Il procedimento della scissione binaria, ossia della divisione batterica, è semplice. Il cromosoma...