Microbiologia generale

Biologia dei microrganismi

Origini della microbiologia

La microbiologia nasce e si sviluppa recentemente come studio scientifico poiché studiare organismi invisibili all’uomo necessita delle apparecchiature scientifiche adeguate.

Leeuwenhoek inventa il primo microscopio intorno al 1700. Era uno strumento dotato di lente che veniva appostato all’occhio. Costruì circa 300 microscopi in base ai campioni da osservare. Scrisse diverse volte all’Accademia Reale Scientifica Britannica e, sebbene le sue scoperte non vennero tenute in considerazione, sono state conservate e archiviate.

Confutazione della teoria della generazione spontanea

Spallanzani e Redi confutano la Teoria della Generazione Spontanea. Redi pose della carne avariata in una serie di recipienti, alcuni chiusi, altri aperti, e dimostrò che le larve nascevano solo dove le mosche avevano potuto depositare le uova. Spallanzani fece anche un altro esperimento simile ma che dimostrava che l'aria può dare origine ad alcuni organismi.

Pasteur riuscì a confutare la teoria della generazione spontanea. Versa un liquido (es. brodo) in un fiasco che lascia aperto di cui però piega il collo curvandolo col calore (collo di cigno). Scalda poi il liquido così da uccidere i microrganismi. Definisce quindi che non c’è formazione di organismi non per mancanza d’aria ma perché i microrganismi che giungono con l’aria non arrivano al liquido; l’aria non è in grado di trasportarli all’interno del fiasco e pertanto si accumulano sulla parte iniziale del collo. Inclinando il fiasco e lasciando che il liquido raggiunga la parte del collo iniziale esso si guasta: questo perché entra in contatto con i microrganismi rimasti all’entrata.

Sviluppi nella comprensione delle malattie infettive

Da Pasteur in poi si comincia a comprendere l’importanza dei microrganismi nelle malattie infettive e nei processi industriali. Non si trova ancora una cura, ma si individuano i canali di trasmissione e un primo tentativo di prevenzione. Il processo di pastorizzazione del latte è così chiamato in onore a Pasteur.

Lister intorno al 1867 introduce asepsi chirurgica con uno spray di fenolo. Capisce che le ferite si infettano per via dei microrganismi (studia Pasteur). Usa il fenolo sull’area da operare così da eliminare i microrganismi.

Koch scopre il microrganismo che causa la tubercolosi. Mette a punto una colorazione per individuare il batterio negli individui malati e lo inocula in animali sani. Dimostra così che il microrganismo deve essere presente sempre negli individui malati e una volta inoculato deve riprodurre la malattia iniziale (Postulati di Koch).

Caratteristiche dei microrganismi

• Sono all’origine di tutte le forme viventi.
• La diversità filogenetica è superiore a quella del mondo vegetale e animale.
• Sono estremamente numerosi.
• Crescono in qualsiasi ambiente in cui ci sia acqua liquida.
• Sono responsabili delle trasformazioni della materia necessaria per la vita.
• Trasformano la geosfera.
• Possono influenzare il clima.
• Sono in simbiosi con piante e animali.
• Causano malattie.
• La loro attività metabolica può influenzare il comportamento di piante e animali.

Uso dei microrganismi

• A livello industriale sono usati come catalizzatori nella sintesi di alcune molecole per svolgere reazioni chimiche.
• Vengono modificati geneticamente per produrre proteine utili come vaccini o insulina.
• Possono migliorare la produzione e conservazione degli alimenti (vedi acidificazione latte con lactobacilli).
• Sono impiegati negli impianti di depurazione delle acque.
• Biorisanamento di siti contaminati.
• Infine possono avere usi meno nobili, come armi chimiche e bioterrorismo.

La cellula

Tipi di cellule

La cellula è un organismo vivente e si divide in procariote e eucariote. Nella prima non ci sono strutture definite, mentre la seconda contiene molte strutture ben definite. La differenziazione è descrivibile in molti punti, tuttavia alcune diversità sono delle norme che possono essere smentite da dei comportamenti delle cellule.

Nel mondo procariote si fa una differenziazione tra batteri e archea, organismi estremamente diversi tra loro:

• Differiscono nelle proprietà chimiche di parete e membrana citoplasmatica.
• Gli antibiotici hanno effetto sui batteri e non sugli archea.
• Gli enzimi presenti negli archea sono simili a quelli degli eucarioti.
• I batteri sono patogeni, gli archea no.
• Gli archea si trovano in ambienti estremi, poiché la loro origine è molto antica e quindi si trovano in ambienti particolari le cui condizioni sono simili a quelle in cui si sono sviluppati.

La cellula procariote

La cellula procariote è un organismo vivente unicellulare, le cui dimensioni sono nell’ordine dei micron, da diametri inferiori a 0,2 µm a diametri superiori a 50 µm. I procarioti sono quindi cellule più piccole rispetto agli eucarioti. Le dimensioni ridotte fanno sì che le sostanze nutritive e i prodotti di scarto entrino ed escano più velocemente, accelerando il processo metabolico. Questo implica che più la cellula è grande più è difficile questa operazione, perciò i batteri più grandi sono rari.

Colorazione di Gram

Serve a stabilire se un batterio sconosciuto è Gram-positivo o Gram-negativo. I Gram-positivi tendono ad essere colorati di viola mentre i Gram-negativi vanno dal rosa al rosso. La diversa colorazione è dovuta a differenze strutturali nella parete cellulare.

Forme di cellule batteriche

I batteri sono microrganismi procariotici che possono essere o meno patogeni. La forma è caratteristica, ma può modificarsi in base alle condizioni ambientali:

• Cocco
• Bacillo
• Vibrione
• Spirilli

Inoltre possono verificarsi aggregazioni cellulari tra più batteri:

• Diplococchi
• Streptococchi
• Sarcina
• Stafilococchi
• Streptobacilli

In una cellula batterica si trovano macromolecole come proteine, DNA e RNA. Le prime sono ovunque, mentre RNA e DNA si trovano solo nel citoplasma. Si possono trovare anche polisaccaridi, che però causano problemi se si accumulano in alcuni punti.

Morfologia di una cellula batterica

Capsula: rivestimento tipico, non sempre presente

Parete: presente in quasi tutti i batteri

Membrana citoplasmatica: sempre presente, essenziale per la vita

Flagello

Filamento esterno alla cellula. Nella distribuzione polare può essere attaccato ad uno o ad entrambi i poli della cellula. Può non essere presente o trovarsi in numero elevato:

• Cellula monotrica: un solo flagello → Pseudomonas
• Cellula lofotrica: più flagelli → Spirillum
• Cellula peritrica: interamente ricoperta di flagelli → Proteus Vulgaris

I flagelli hanno forma elicoidale e servono per il movimento della cellula procariote (i batteri si muovono per cercare nuove sostanze). Il flagello è un’appendice cellulare lunga e sottile legata ad una estremità alla membrana citoplasmatica. Il filamento dei flagelli batterici è costituito da un’unica proteina, la flagellina.

Regione basale del flagello

Ha una struttura diversa rispetto a quella del filamento, è costituita da una regione più ampia chiamata uncino. È formata da un singolo tipo di proteina e ha la funzione di connettere il filamento alla porzione del motore del flagello.

Motore flagellare

Ancorato alla membrana citoplasmatica e alla parete cellulare, è formato da una regione bastoncellare che passa attraverso un sistema di anelli. Il motore di rotazione contiene due componenti:

• Rotore: anelli C, MS, P → costituiscono il corpo basale
• Statore: costituito dalle proteine Mot

Il movimento rotatorio del flagello è impartito dal corpo basale.

Batteri Gram-negativi

• Anello esterno L → ancorato allo strato lipopolisaccaridico
• Anello P → ancorato allo strato peptidoglicano della parete cellulare
• Anelli MS e C → all’interno della membrana citoplasmatica e del citoplasmatica

Batteri Gram-positivi

• Privi dello strato lipopolisaccaridico, quindi:
• Anello P → ancorato allo strato peptidoglicano della parete cellulare
• Anelli MS e C → all’interno della membrana citoplasmatica e del citoplasma

Ancorate alla membrana citoplasmatica sono presenti delle proteine chiamate Mot. Questi anelli che ancorano il flagello alla membrana citoplasmatica ruotano provocando la rotazione del flagello, che comporta il movimento della cellula.

Un batterio si può muovere fino a 0,17 m/h che paragonato alle dimensioni è una velocità decisamente elevata.

Biosintesi flagellare

La sintesi inizia con l’assemblaggio dell’anello MS nella membrana. Di seguito si ha la formazione degli altri anelli, dell’uncino e del cappuccio. A questo punto le proteine di flagellina scivolano all’interno dell’uncino per formare il filamento. Le molecole di flagellina sono guidate nella corretta posizione dalle proteine del cappuccio che assicurano al filamento crescente un sviluppo ordinato.

Biosintesi del flagello

Cosa spinge il batterio a muoversi?

• Uno stimolo chimico, detto Chemiotassi (esempio capillare con glucosio che attrae batteri).
• Uno stimolo luminoso, detto Fototassi (alcuni batteri usano la luce per crescere).

Quindi, dalla rotazione del flagello deriva il movimento.

• Se il flagello ruota in senso antiorario la cellula si muove di moto rettilineo.
• Se il flagello ruota in senso orario la cellula si capovolge.

Il movimento di un batterio può sembrare senza uno scopo ben preciso, ma se c’è una sostanza attraente vengono favoriti i movimenti che fanno avvicinare la cellula alla sostanza. Questo perché sulla superficie della cellula ci sono molecole recettori che rivelano la presenza di stimoli. Ogni volta che il recettore si eccita, la molecola applica un meccanismo di adattamento che la fa tornare ad uno stato non eccitato per essere nuovamente riutilizzata. Poi il recettore viene degradato e sostituito.

Infine esistono anche filamenti più piccoli, utili al batterio per aggrapparsi su determinate superfici, detti fimbrie.

Rivestimenti

Capsula

Rivestimento che non si trova in tutte le cellule (i batteri capsulati sono spesso patogeni) formato da zuccheri e/o amminoacidi. Ad esempio nel leuconostoc la capsula è fatta di polimero di glucosio. Tuttavia il batterio non sempre la forma, perché ha precedenza il nutrimento e se non c’è abbastanza zucchero si nutre e non fa la capsula.

Parete cellulare

Rivestimento fondamentale per la vita della cellula, è un guscio rigido che la protegge ed è quasi sempre presente. Ad esempio la protegge da un’eccessiva presenza di acqua. I batteri vivono in ambienti ipotonici (con poco sale) e la differenza tra il loro interno e l’esterno favorisce il richiamo di acqua da parte del batterio stesso. Ciò, combinato all’azione del lisozima (enzima che può attaccare e distruggere la parete cellulare), può comportare l’esplosione della cellula, a causa della troppa presenza di liquido. In una soluzione isotonica invece (equilibrata) il batterio non viene distrutto perché l’equilibrio tra batterio e ambiente permette alla cellula di vivere anche se il lisozima ne ha mangiato la parete (il lisozima si trova ad esempio nelle lacrime ed impedisce che i batteri si riproducano nell’occhio).

Peptidoglicano o Mureina

Conferisce rigidità e resistenza alla parete cellulare, è presente solo nei batteri (procarioti).

• È un polimero costituito da due zuccheri e da una parte peptidica, cioè amminoacidi, presenti anche in forma D sebbene normalmente gli amminoacidi delle proteine siano in forma L; questo implica che avviene una trasformazione da L a D.
• Amminozuccheri presenti: acido n-acetilmuramico (NAM) e n-acetilglucosamina (NAG) e altri amminoacidi in forma D (trasformati da L a D dalla racemasi, un enzima).

Nella mureina NAM e NAG sono legati da legame β-1,4 glucosidico a formare una catena lineare, in cui gli amminoacidi sono legati solo al NAM formando una catena peptidica.

NAG------ NAM------- NAG------- NAM------- NAG

12345

Nelle posizioni 1, 2, 3 ci sono diversi amminoacidi: sono variabili, possono cambiare da specie a specie. Nelle posizioni 4 e 5 è sempre presente la D-Alanina. Queste catene possono essere disposte l’una accanto all’altra ma la rigidità è data dal legame che si forma tra catene adiacenti:

• Nei batteri gram-negativi le catene peptidiche sono legate da legami peptidici diretti tra l’amminoacido in 3 e quello in 4.
• Nei batteri gram-positivi il legame tra 4 e 3 avviene con una catena di 5 glucidi, una sorta di ponte che consente di legare anche catene lontane tra loro (ponte interpeptidico).

Per favorire la formazione del legame tra le catene peptidiche vien perso l’amminoacido in posizione 5. La transpeptidasi infatti, per legare le catene ha bisogno di energia e la ottiene staccando la D-Alanina in 5. L’azione del lisozima vista in precedenza è quella di tagliare il legame glucosidico tra NAM e NAG spezzando la catena e causando così la perdita della rigidità.

Nei batteri gram-positivi la percentuale di peptidoglicano varia a seconda della specie e la parete è spessa (fino a 800 armstrong) mentre nei gram-negativi la parete è più sottile e la percentuale di mureina è costante (circa 20%). Guardando al microscopio si evidenzia una forte differenza tra la parete dei batteri gram-positivi e negativi (differenziazione legata alla colorazione di Gram): quest’ultimi hanno uno strato più sottile di peptidoglicano che si pone in uno spazio periplasmatico che è protetto a sua volta da una membrana esterna. Questo spazio è utile per la lavorazione delle specie che entrano nella cellula. Per nutrirsi infatti, il batterio deve sfruttare macromolecole, ma far entrare delle grosse molecole non è possibile dal punto di vista energetico. La cellula può però secernere degli enzimi che degradano le macromolecole (come cellulosa, lignina) favorendo la nutrizione. Questo processo, tipico dei gram-positivi, deve avvenire al di fuori del batterio e questo è svantaggioso perché la sostanza può essere presa da altri batteri vicini.

Molti batteri Gram-positivi possiedono, all’interno della parete cellulare, dei polisaccaridi acidi, gli acidi teicoici, ovvero tutti i polimeri della membrana, della parete e della capsula che contengono residui di glicerofosfato e ribitolfosfato. A causa della loro carica negativa gli acidi teicoici sono parzialmente responsabili della carica complessiva negativa della superficie cellulare.

Mureina nei batteri Gram-negativi

I gram-negativi fanno entrare le molecole nello spazio periplasmatico, interno al batterio, dove si accumulano enzimi che degradano il nutrimento, rendendo il processo più vantaggioso. È molto più esteso che nei gram-positivi. Nei gram-negativi inoltre sono presenti delle catene di lipopolisaccaridi esterni alla cellula, catene che sono le prime ad essere riconosciute da un sistema immunitario quando c’è un’infezione. Lipopolisaccaride è una catena formata da un lipide agganciato alla membrana e una catena polisaccaridica esterna legata al lipide. La membrana esterna dei gram-negativi è percorsa inoltre da dei canali che permettono il passaggio delle macromolecole dirette allo spazio periplasmatico, formati da proteine chiamate Porine che permettono l’entrata e uscita di sostanze idrofiliche attraverso la membrana (si aggrovigliano formando dei canali). La differenza in quantità di peptinoglicano non influisce sulla rigidità della parete!

Parete batteri Gram-positivi

Nei batteri gram-positivi sono presenti sulla parete acidi teicoici, termine con cui si indicano tutti i polimeri della parete, della membrana e della capsula contenenti residui di glicerolfosfato e ribitolfosfato.

Parete batteri Gram-negativi

Il peptidoglicano può essere distrutto a causa dell’azione di agenti chimici. Uno di questi è il lisozima, una proteina che rompe i legami β-1,4 NAM e NAG, indebolendo la struttura al punto che l’acqua può entrare nella cellula facendola gonfiare e scoppiare secondo un processo chiamato lisi. Il lisozoma ha una funzione difensiva contro i batteri. Nei casi in cui si ha una soluzione isotonica il lisozoma può digerire il peptidoglicano senza che l’acqua entri nella cellula: si verifica così la formazione di un protoplasto, un batterio che ha perso la parete cellulare.

Differenze

Anche gli Archea hanno una parete, che però è costituita da pseudopeptidoglicano, perché al posto del NAM c’è il NAT (acido n-acetiltalosa-minuronico). Il NAG e NAT sono legati con legame β-1,3 glicosidico che non è attaccabile dal lisozima.

Membrana citoplasmatica

La membrana citoplasmatica è un rivestimento indispensabile, presente in tutti i batteri e eucarioti, che separa interno da esterno e garantisce le condizioni necessarie per la vita (deve far passare i nutrienti e far uscire le sostanze dannose). Fa da funzione filtro. Questo fa sì che esista uno spazio fra membrana esterna ed interno. È formata da molecole di glicerolfosfato con una coda di acidi grassi a formare un doppio strato fosfolipidico. Il glicerolfosfato è la testa idrofila, mentre gli acidi grassi sono idrofobi. Perciò una molecola che deve attraversare la membrana deve essere sia idrofila che idrofila e questo è un ottimo meccanismo di selezione. Lo spessore è di circa 8 nm.