Microbiologia generale - nutrizione microbica

Chemiolitoautotrofismo Anidride Carbonica Composti Donatore

inorganici inorganico

Chemiolitoeterotrofismo Carbonio organico Composti Donatore

(anche CO ) inorganici inorganico

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Chemioorganoeterotrofi Composti organici Composti organici Composti organici

smo Le richieste di azoto, fosforo e zolfo

Un microrganismo per poter crescere deve poter assimilare una grande quantità di azoto,

fosforo e zolfo.

L’azoto è utilizzato per la sintesi di amminoaci, purine e pirimidine, alcuni

carboidrati e lipidi oltre che cofattori enzimatici.

L’azoto viene ricavato ad esempio dagli amminoacidi, dall’incorporamento da parte del

microrganismo di ammonica o addirittura alcuni possono assimilare l’azoto atmosferico,

sotto forma di azoto biatomico.

Il fosforo è presente negli acidi nucleici, nei fosfolipidi¸ nei nucleotidi ed in vari

cofattori oltre che in proteine. La maggioranza degli organismi è capace di ottenere

fosforo a partire da fosfato inorganico che viene direttamente incorporato.

Lo zolfo è necessario per la sintesi di alcune sostane, come gli amminoacidi

cisteina e metionina, per alcuni carboidrati ecc. La fonte di zolfo per la maggioranza dei

microrganismi è il solfato che viene ridotto mediante il processo di riduzione assimilativa

dei solfati. I fattori di crescita

Sono detti fattori di crescita i composti organici che sono componenti essenziali della

cellula e sono fondamentalmente di 3 tipi: amminoacidi, purine e pirimidine, vitamine.

Gli amminoacidi sono necessari per la biosintesi delle proteine, le purine e pirimidine

sono necessarie alla sintesi degli acidi nucleici e le vitamine, piccole molecole organiche,

sono in parte o per intero cofattori enzimatici; per garantire la crescita microbica è

necessaria un’esigua quantità di vitamine, ma non mancano casi di alcuni batteri che

necessitano notevoli quantità di vitamine.

Al giorno d’oggi molte vitamine idrosolubili e liposolubili sono ottenute mediante processi di

fermentazione industriale. Tra le tante si ricordano : Cianocobalamina B12, Acido folico,

Acido lipoico, Acido pantotenico, Piridossina B6, Riboflavina B2, Tiamina B1.

Assunzione dei nutrienti da parte della cellula

Il primo passo per l’assimilazione dei nutrienti da parte dei microrganismi è il loro

assorbimento. I meccanismi di assorbimento devono essere specifici, nel senso che solo

specifiche sostanze devono poter entrare nella cellula; l’entra di sostanze inutili o

addirittura nocive deve essere evitata. Inoltre la maggioranza dei microrganismi spesso

vive in habitat sfavorevoli e carenti di nutrienti, quindi si ha la necessità di poter trasportare

sostanze anche contro gradiente, da soluzioni diluite verso soluzioni concentrate.

Tra i diversi sistemi di trasporto, i principali sono 4:

Diffusione passiva

1. Diffusione facilitata

2. Trasporto attivo

3. Traslocazione di gruppo

4.

La diffusione passiva

Poche sostanze, tra cui ad esempio il glicerolo, sono in grado di attraversare la membrana

plasmatica per diffusione passiva. Tale tipo di trasporto , detto anche semplicemente

diffusione, consiste nel passaggio delle molecole da una regione ad alta concentrazione

verso una regione a bassa concentrazione di sostanza, quindi un trasporto secondo

gradiente, causato da agitazione termica casuale , che quindi non richiede dispendio

energetico da parte della cellula.

Il tasso della diffusione di trasferimento delle sostanze dipende dalla concentrazione tra

interno ed esterno della cellula. La velocità di trasferimento ragionevolmente diminuisce

all’aumentare della concentrazione interna di

sostanza, a meno che le molecole immesse

non vengano immediatamente utilizzate.

Le molecole capaci di attraversare la

membrana per diffusione sono piccole molecole

come H 0, O e CO . Le molecole più grandi o

2 2 2

ioni e molecole polari necessitano di essere

trasportate in altri modi.

La diffusione facilita

La diffusione facilitata è un processo di

trasporto che richiede l’azione di particolari

proteine immerse nella membrana plasmatica,

dette proteine carrier o permeasi. La velocità di diffusione attraverso la membrana

aumenta grazie alla presenza di tali proteine. La velocità di diffusione facilitata aumenta

con il gradiente di concentrazione più rapidamente rispetto alla diffusione passiva. Bisogna

però notare che quando il gradiente di concentrazione supera una certa sogna, la velocità

di diffusione smette di crescere e si stabilizza in un plateau, ciò è dovuto alla saturazione

delle proteine trasportatrici. Le proteine carrier risultano altamente selettive

e trasportano esclusivamente dei soluti

correlati.

Anche in questo tipo di trasporto non è

richiesto alcuni input di energia metabolica ma

solo un gradiente di concentrazione, infatti se

questo sparisce il passaggio si interrompe. In

questo caso il gradiente si mantiene grazie

alla trasformazione del nutriente in un altro composto oppure, come avviene solo negli

eucarioti, se le sostanze immesse vengano riposte in particolari compartimenti ricoperti da

membrana.

Per quanto riguarda il funzionamento generale, dopo che il soluto si è legato alla superficie

della proteina, questa va incontro ad un cambiamento morfologico che provoca il rilascio

del soluto all’interno della cellula. In seguito la proteina torna ad assumere la sua forma

originale, pronta a ricevere una nuova molecola di nutriente.

Essendo questo meccanismo controllato da gradiente di concentrazione, risulta

reversibile.

L’osmosi è il passaggio spontaneo di acqua attraverso una membrana selettivamente

permeabile da una zona a concentrazione maggiore di soluto, verso una zona a

concentrazione minore.

Il trasporto attivo

I carrier della diffusione facilitata non sono in grado di lavorare contro gradiente, in questi

casi si rende necessario un diverso tipo di trasporto come ad esempio il trasporto attivo o

la traslocazione di gruppo, entrambi processi dipendenti da energia.

Il trasporto attivo permette il trasporto di soluti contro gradiente, mediante input di

energia metabolica, è simile alla diffusione

facilitata poiché utilizza particolari proteine

trasportatrici che si legano ai soluti con

grande specificità. Anche in questo tipo di

trasporto può avvenire l’effetto di

saturazione del carrier a causa di elevata

concentrazione.

I trasportatori ATP-binding cassette ABC

sono esempi importanti di trasporto attivo.

Queste proteine di trasporto in genere

consistono di due domini idrofobici inseriti

nella membrana, che sulla faccia

citoplasmatica si associano a due domini

per il legame col nucleotide. I due domini

idrofobici, attraversando tutto lo spessore

della membrana, formano un poro, mentre i domini per il legame col nucleotide legano e

idrolizzano l’ATP, ricavandone energia che sostiene l’assorbimento.

Anche i gradienti di protoni e di ioni sodio sono utilizzati come fonte di energia per

sostenere l’assunzione di soluti attraverso le membrane.

La traslocazione di gruppo

Costituisce un altro tipo di trasporto, nel quale vi è una modifica chimica della molecola

che viene portata all’interno della cellula. E’ un tipo di trasferimento attivo che necessita

quindi energia. Il sistema di trasporto di gruppo più conosciuto è il fosfoenolpiruvato:

sistema di fosfotrasferasi degli zuccheri PTS che è presente in molti batteri. Nelle

cellule procariotiche questo sistema è adibito al trasporto di una notevole quantità di

zuccheri, che vengono contemporaneamente fosforilati usando il fosfoenolopiruvato PEP

come donatore di fosfato:

PEP + zucchero (esterno)  piruvato + zucchero – P (interno)

Assunzione del ferro

Il ferro, essenziale per quasi tutti i microrganismi, è nella sua assunzione un processo

3+

complicato dalla estrema insolubilità dello ione ferrico Fe e dei suoi derivati, per cui solo

piccole quantità di ferro libero sono disponibili per il trasporto. Molti batteri e funghi hanno

superato tale difficoltà secernendo siderofori, molecole organiche dal basso peso

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molecolare, capaci di formare complessi con il Fe e renderlo disponibile alla cellula.

Trasporto attivo secondario

La pompa sodio/potassio dipendente dall’ATP, è un

esempio di trasporto accoppiato o co-trasporto: la

pompa media il trasporto di due specie ioniche, il

+ +

Na e il K che si muovono in direzione opposta. Tale

tipo di cotrasporto prende il nome di antiporto;

quando più molecole vengono trasferite nella stessa

direzione il cotrasporto è detto sinporto. Il trasporto

di una sola molecola prende il nome di uniporto.

Terreni di coltura

Lo studio microbiologico dipende dalla possibilità di far crescere e mantenere i

microrganismi in colture di laboratorio e ciò è possibile solo grazie alla disposizione di

terreni di coltura adeguati.

I terreni di coltura consistono in una preparazione che può essere liquida o solida e che

contiene tutti i nutrienti necessari alla crescita ed al mantenimento dei microrganismi.

Terreni di coltura particolari sono usati per testare la sensibilità agli antibiotici, per isolare

ed identificare i microrganismi ecc.

L’esatta composizione ottimale del terreno dipende da quale specie microbica si desidera

coltivare.

I terreni di coltura possono essere classificati in base a diversi parametri, come ad

esempio la loro composizione chimica, il loro stato fisico o la loro funzione.

Terreni sintetici o definiti

Si dicono sintetici/definiti quei terreni dei quali si conosce con esattezza la composizione

chimica. Questi possono essere in forma liquida, sotto forma di brodo, o solidificati, grazie

all’azione di un agente solidificante come l’agar.

Terreni complessi

Si dicono complessi i terreni dei quali non si conosce con esattezza la composizione

chimica. Questo tipo di terreni è spesso necessaria per la coltivazione di microrganismi dei

quali non si conoscono le esigenze nutrizionali ed è quindi impossibile creare un terreno

definito. I terreni complessi contengono nutrienti a composizione indefinita come i peptoni,

l’estratto di carne e l’estratto di lievito.

L’agar è un polimero composto principalmente da D-Galattosio, 3,6-anidro-L-Galattosio e

acido D-glucuronico. E’ un ottimo agente solidificante perché dopo essere stato sciolto in

acqua bollente, può essere fatto raffreddare fino a 42 gradi prima di solidificare e si liquefa

se la temperatura sale a 85 gradi, inoltre la maggior parte dei microrganismi non è in

grado di degradarlo.

A volte vengono usati diversi solidificanti.

Tipi di terreno

I terreni addizionati con sangue ed altri nutrienti spe