Microbiologia generale

Effetti delle condizioni ambientali sulla crescita microbica

Oovvero il logaritmo del rapporto tra l'intensità di luce incidente e la luce trasmessa). Poiché la dispersione della luce è influenzata dalla forma e dalle dimensioni del batterio, l'assorbanza è un valore relativo. Per ottenere il valore reale della massa cellulare, occorre correlare l'assorbanza di una sospensione di batteri al peso secco delle cellule o al numero totale di cellule che danno una particolare assorbanza.

Numerosi fattori fisici possono determinare il tipo di microrganismo che crescerà in un dato ambiente. Fra questi il pH, la temperatura, la presenza di ossigeno e la disponibilità di acqua.

Acidità e alcalinità: La concentrazione relativa agli ioni di H presenti in una soluzione è espressa dal pH. In genere i microrganismi hanno crescita migliore a pH compresi tra 0 e 11. I microbi che crescono a pH basso sono detti acidofili. Per contro gli

Alcalofili

Gli alcalofili sono organismi che mostrano una crescita ottimale in presenza di condizioni molto alcaline.

Presenza di ossigeno molecolare

L'atmosfera primordiale era anaerobia, quindi per miliardi di anni le popolazioni batteriche hanno sviluppato alcuni meccanismi respiratori per la produzione di energia. Ciò ha consentito ad alcuni popolazioni batteriche di adottare un tipo di comportamento indipendente dall'ossigeno. Alcuni di questi non sono influenzati dai livelli atmosferici di ossigeno, altri muoiono anche per una breve esposizione.

I batteri possono essere suddivisi in tre raggruppamenti principali:

• aerobi
• microaerofili
• anaerobi

Un aerobio obbligato cresce soltanto in presenza di ossigeno molecolare. Questi organismi rispondono favorevolmente ad un'aumentata disponibilità di ossigeno durante la crescita. Un aerobio facoltativo segue una via respiratoria in presenza di ossigeno, ma può adottare sistemi anaerobi alternativi quando necessario.

l'ossigeno non è presente. I microaerofili occupano nicchie in cui l'atmosfera ha bassi livelli di ossigeno e, anche se non necessitano di questo elemento per attuare la respirazione, crescono in maniera ottimale a livelli ridotti (tra 2% e 10%).

Un anaerobio obbligato non è in grado di crescere in presenza di ossigeno e può anche essere ucciso da livelli minimi di tale elemento. Gli anaerobi tolleranti ignorano la presenza dell'ossigeno, infatti non lo utilizzano per la respirazione e possono sopravvivere sia in presenza che in assenza di tale elemento.

Temperatura

I microrganismi sono in grado di prosperare in ambienti estremi, è chiaro però che la diversità di specie tende a diminuire con l'aumentare dell'asprezza delle condizioni ambientali. Una determinata specie possiede una temperatura di crescita minima, una temperatura massima e una temperatura ottimale. Queste tre temperature vengono definite temperature

sono stabili e funzionano correttamente a temperature comprese tra i 20 e i 45°C. Al contrario, le proteine dei termofili sono adattate per resistere a temperature più elevate, fino a 70°C. Gli ipertermofili, invece, sono in grado di sopravvivere e crescere a temperature superiori ai 70°C. La temperatura è un fattore critico per la crescita dei microrganismi, poiché influisce sulla struttura e sulla funzione delle proteine. Temperature troppo basse possono rallentare o bloccare le reazioni metaboliche, mentre temperature troppo elevate possono denaturare le proteine e causare danni irreversibili alla cellula. La capacità di un microrganismo di crescere a temperature estreme dipende dalla composizione delle sue proteine e dalla presenza di enzimi specifici che possono funzionare a temperature elevate. Questa adattabilità termica è fondamentale per la sopravvivenza e la crescita dei microrganismi in diversi ambienti, come ad esempio le sorgenti termali o le profondità marine. In conclusione, la temperatura è un fattore chiave per la crescita dei microrganismi e la loro adattabilità a temperature estreme è determinata dalla stabilità delle proteine e dalla presenza di enzimi termoresistenti.iniziano a denaturarsi intorno ai 60°C. La temperatura di crescita può influenzare anche gli acidi grassi. Se un microrganismo viene fatto crescere alla temperatura minima, si ha un'elevata percentuale di acidi grassi insaturi, mentre la crescita alla temperatura massima comporta una maggior percentuale di acidi grassi saturi. Il grado di saturazione dei grassi presenti nella membrana citoplasmatica, ne determina la sua fluidità. Dato che il corretto funzionamento della membrana dipende appunto dalla fluidità, la composizione della membrana riflette la temperatura di crescita. I diversi taxa batterici hanno messo a punto strategie particolari per mantenere fluida la membrana in risposta ai cambiamenti ambientali. In genere la cellula, per mantenere lo stato funzionale della membrana, controbilancia gli effetti dei fattori che ne fluidificano il doppio strato con cambiamenti tali da solidificare il doppio strato e viceversa. Una volta che i fattori di disturbo sono allontanati,

la membrana ritorna al suo stato normale.

Disponibilità di acqua

Tutti i microrganismi necessitano di una fonte di acqua per garantire la propria sopravvivenza. La presenza di acqua rappresenta un fattore determinante per stabilire se un ambiente naturale sia colonizzato da una popolazione microbica. Il termine disponibilità d'acqua ha un significato intrinseco in quanto, anche se l'acqua è effettivamente presente, le sostanze solide o le superfici dell'ambiente possono assorbirne le molecole, riducendone la disponibilità necessaria alla sopravvivenza.

La disponibilità d'acqua viene espressa come attività dell'acqua (a_w) che equivale al rapporto fra la pressione di vapore dell'aria sopra una sostanza e la pressione di vapore sopra l'acqua pura. I valori sono compresi fra 0 e 1. Se un soluto assorbe acqua, la pressione di vapore sopra quel soluto si riduce.

Se una data quantità d'acqua viene posta su un lato di una

membranasemipermeabile e acquasalina sull'altro lato della membrana, l'acqua pura diffonde attraverso la membrana nella soluzionesalina. Questo processo si chiama osmosi. Se un batterio si trova immerso in un soluto la cui concentrazione è maggiore di quella interna alla cellula, l'acqua abbandona la cellula ed essa collassa verso l'interno (plasmolisi). I batteri possono però evitare tale inconveniente aumentando la quantità di soluti all'interno della cellula fino a valori superiori di quelli dell'ambiente che la circonda. Principi di genetica microbica Le migliaia di relazioni biochimiche che avvengono in ogni singola cellula per permettere la sintesi di componenti cellulari, sono pressoché identiche tra batteri e archea. Nel corso della replicazione cellulare, ogni cellula figlia riceve una copia dell'informazione genetica unica per ogni specie batterica, espressa in forma di un codice biochimico. Questa assicura il

Il mantenimento dellaspecificità della specie di generazione in generazione. Alle volte le cellule batteriche possono contenere piccole molecole di DNA aggiuntive (plasmidi) codificanti per funzioni cellulari necessarie per la sopravvivenza della cellula in ambienti particolari. Il flusso di informazioni all'interno della cellula può essere paragonato al processo tramite cui le idee (DNA) vengono trascritte in parole (RNA) ed infine tradotte in azioni (proteine), mantenendo inalterate le idee iniziali. Tutti questi procedimenti richiedono energia.

Struttura del DNA: La replicazione del genoma di un organismo può essere considerata tra le più importanti reazioni che avvengono in una cellula (mezzo attraverso il quale viene mantenuta l'identità genetica). L'affidabilità di questo meccanismo risiede nella struttura a doppia elica del DNA, nell'accuratezza delle strutture che replicano il genoma e nel sistema di correzione che ripara ogni tipo

.

Il DNA è costituito da desossiribonucleotidi uniti da legami fosfodiesterici. Ogni desossinucleotide è costituito da uno zucchero (2-desossiribosio) e differisce dagli altri nella struttura della propria base azotata. Le purine (adenina, guanina) e le pirimidine (citosina, timina), sono unite allo zucchero da legami N-glicosidici. La struttura ad elica è il risultato dell'unione degli atomi di C in posizione 5' e 3' di residui zuccherini adiacenti tramite un legame fosfodiesterico.

L'ordine in cui i nucleotidi sono uniti a formare un gene ne determina la funzione. Sia il DNA cromosomico che il DNA plasmidico sono costituiti da una doppia elica, formata da due filamenti tenuti insieme da legami idrogeno (l'appaiamento avviene sempre tra adenine e timine e tra guanine e citosine). Due legami H sono presenti tra adenina e timina, mentre tra guanina e citosina sono tre. Questo appaiamento di basi significa che le due eliche sono complementari (la

sequenza di un filamento determina anche quella dell'altro). Poiché il loro andamento è opposto, definito dall'orientamento 5'-3' dei gruppi OH delle molecole di zucchero, le eliche sono antiparallele.

La linearità della catena, insieme all'appaiamento delle basi azotate, assicura la stabilità della molecola di DNA che assume una struttura elicoidale avvolgendosi in senso orario esattamente ogni 10,6 paia di basi (o 3,4 nm).

Una cellula batterica contiene circa 5x10 paia di basi, unite a formare un cromosoma lungo circa 1mm. Questa molecola si trova compressa in una cellula di dimensioni variabili comprese tra 1 e 2 μm. Questa compressione si ottiene mediante delle modificazioni strutturali dette superavvolgimenti.

Replicazione del DNA

La duplicazione di una cellula batterica avviene mediante un processo asessuato durante il quale una cellula si divide in due metà uguali. Ogni componente del citoplasma e dell'involucro nucleare

vieneripartito in modo equo nelle cellule figlie (eventuali squilibri possono comunque essere eliminatimediante nuova sintesi in seguito alla divisione cellulare). L'esatta divisione del materiale genetico èinvece indispensabile, poiché un minimo errore può causare la perdita permanente di determinatefunzioni cellulari, o addirittura causarne la morte.

La replicazione del DNA implica la formazione di due elicheformate da due filamenti, uno dei quali è parentale mentre l'altroderiva da una nuova sintesi. La separazione dei due filamentiparentali permette loro di fungere da stampo per la formazione delfilamento nuovo (replicazione semiconservativa).

Modello di sintesi dei DNA

La replicazione ha inizio in un sito specifico del cromosoma