Nutrizione e microrganismi: infezioni e fermentazioni

Nutrizione e microrganismi

Studio dei microrganismi microscopici ed unicellulari

Procarioti vs eucarioti

Classificazione microrganismi: Linneo, botanico che stabilì sistema di nomenclatura binomiale (genere + specie). Classificati in base a similitudini RNA ribosomiale: Bacteria, Archea, Eukaria.

Procarioti

Prima del nucleo; sono organismi unicellulari privi di nucleo, materiale genetico disperso nel citoplasma; cellule molto più piccole; divisione cellulare avviene per scissione binaria.

Eucarioti

Nucleo buono; organismi uni e pluricellulari il DNA è circondato dalla membrana nucleare; divisione cellulare avviene per mitosi e meiosi.

Cellula batterica procariota

Il DNA non è nel nucleo, ma disperso nel citoplasma: nella regione Nucleoide. DNA: cromosoma batterico a struttura circolare. Nel citoplasma sono presenti anche i plasmidi: piccole molecole di DNA circolare, con autonomia replicativa; importanti per virulenza e patogenicità batterio. Troviamo ancora i ribosomi (RNA e proteine), deputati alla sintesi proteica; coefficiente di sedimentazione di 70S invece che 80S. Troviamo delle inclusioni costituite da granuli di nutrienti, ed acqua.

A circondare il citoplasma troviamo la membrana cellulare: costituita da un doppio strato fosfolipidico; non contiene steroli ma altre molecole: opani. Nel doppio strato vi sono proteine e carboidrati. Funzione: barriera, permeabilità. È anche sede di processi biosintetici e della catena respiratoria.

Colorazione di Gram

Distinzione dei batteri Gram- e +; è una colorazione differenziale: consiste in due diversi coloranti, in sequenza, il cristal violetto e poi con la safranina. I batteri che resistono all’azione del decolorante e rimangono colorati di viola sono classificati in Gram+, mentre quelli decolorati e hanno assunto la colorazione rossa, Gram-. La resistenza del decolorante è data dalla quantità di peptidoglicano presente nella parete batterica.

Parete cellulare

Rigida, dà forma e protegge la cellula da lisi osmotica. È costituito da peptidoglicano, un polimero di due carboidrati azotati: N acetilglucosammina e Acido N acetilmuramico. Nei Gram+ troviamo molti strati di peptidoglicano, parete molto spessa; tra gli strati: acidi teicoici, altamente antigenici (riconosciuto come non self, stimola risposta immunitaria). Nei Gram- parete più sottile, hanno un ulteriore involucro di protezione: membrana esterna (asimmetrica: uno strato di fosfolipidi, e uno di lipopolisaccaride: costituito da lipide A, porzione tossica, e parte polisaccaridica con cuore centrale polisaccaridico e porzione terminale polisaccaride O, antigene).

Eccezioni: batteri che non hanno parete cellulare: Micoplasmi: avvolti soltanto da una membrana cellulare contenente colesterolo; es. Mycoplasma pneumoniae (agente eziologico polmonite).

Strutture esterne

Verso l’esterno: strutture esterne alla parete cellulare: Glicocalice: costituito da materiale polisaccaridico o polipeptidico molto adesivo. Se è meno organizzato e più lasso prende il nome di strato mucoso, se è fortemente attaccato alla parete cellulare e più organizzato e denso, capsula. Protegge batterio da fagocitosi e permette a più cellule batteriche di aggregarsi e formare il biofilm.

Sono presenti delle appendici, o strutture accessorie: i flagelli, deputati al movimento, proteina flagellina (antigene H); corpo basale, uncino e flagello vero e proprio. Le fimbri, appendici più corte, responsabili dell’attacco del batterio alle superfici. I pili F, usati per trasferire DNA da una cellula batterica ad una cellula contigua (coniugazione batterica).

Forme

• Cocchi: rotondeggianti
• Bacillo: forma più allungata

Endospora

Forma che i batteri possono assumere in particolari condizioni ambientali avverse; struttura: molti rivestimenti (corteccia, rivestimento interno, esterno, esosporio). La rendono resistente alla starvation, agli UV e radiazioni, essiccazione, temperatura, lisozima e disinfettanti chimici. Condizioni favorevoli: spora germina e torna allo stato vegetativo.

I batteri prendono energia da: prodotti chimici organici, prodotti chimici inorganici e fotosintesi.

Archea

Unicellulari, procarioti, non possiedono peptidoglicano e vivono in ambienti estremi.

Funghi

Eucarioti, cellula circondata da parete cellulare costituita da chitina, usano prodotti organici, i lieviti sono unicellulari mentre muffe e funghi sono pluricellulari (ife che formano micelio).

Protozoi

Eucarioti unicellulari, mobili attraverso pseudopodi, flagelli, cilia; assorbono o ingeriscono prodotti organici; possono formare cisti o spore; alcuni parassiti dell’uomo.

Parassiti animali

Eucarioti, pluricellulari, vermi piatti e tondi.

Virus

Acellulari, costituiti da DNA o RNA, rivestito da involucro proteico in alcuni casi lipidico, si replicano nelle cellule ospiti.

Patogenicità

Capacità di un patogeno batterio o virus nel causare una malattia superando le difese dell’ospite. Virulenza: l’entità della patogenicità. Patogenesi: meccanismi con cui si instaura la malattia.

Siti di entrata

Tratti in comunicazione con l’ambiente esterno: tratto respiratorio, gastrointestinale, genito-urinario, attraverso la pelle se è lesa, puntura o morso, via parenterale (patogeno iniettato direttamente nel circolo ematico).

Quantità del microrganismo che entra: due parametri:

• ID50: dose infettiva per il 50% della popolazione testata; più è bassa e più patogeno è infettivo, alta capacità di infettare; dipende molto dal sito di entrata.
• DL50: dose letale per il 50% della popolazione testata, utilizzato per le tossine.

Una volta entrato: fase di adesione e colonizzazione: attraverso molecole adesine o ligandi si lega specificamente a recettori complementari sulla superficie delle cellule, es mucose tratto respiratorio. Le adesine ed i ligandi possono trovarsi sui flagelli, capsula, glicocalice, fimbrie.

Inizia a colonizzare la mucosa nel sito di entrata; i batteri superano le difese dell’ospite grazie ad alcune strutture come la capsula: con funzione antifagocitaria, nasconde batterio ed ostacola l’adesione delle nostre cellule fagocitiche. Più capsule formano il biofilm, strato mucoso con più batteri che li protegge e li nasconde, molto importante per la patogenicità. Altre componenti che contribuiscono: la proteine M che insieme agli acidi teicoici che formano delle fibrille con azione antifagocitaria. Ancora, le proteine Opa che variano ed aiutano ad eludere il sistema immunitario.

Variazione antigenica: alcuni patogeni possono alterare gli antigeni di superficie, nel momento in cui l’ospite ha montato la risposta anticorpale, il patogeno ha già alterato il suo antigene che non viene più riconosciuto dall’anticorpo.

Mimetismo molecolare e antigenico: alcuni patogeni possiedono componenti strutturali di superficie che possiedono notevoli analogie di composizione con strutture dell’ospite che quindi vengono difficilmente individuati come non self dal sistema immunitario. Può avere un ruolo nel determinismo delle patologie autoimmuni. Anche alcuni enzimi aiutano il batterio: catalasi, superossido dismutasi, che contrastano i meccanismi di killing messi in atto dalle nostre cellule che utilizzano i radicali dell’O per uccidere il batterio; IgA proteasi enzimi che distruggono anticorpi IgA; ialuronidasi, collagenasi, che rompono legami, idrolizzano acido ialuronico, collagene.

La colonizzazione batterica di una mucosa può provocare la distruzione dell’epitelio e consentire l’apertura di un varco attraverso il quale i batteri possono raggiungere l’area vascolarizzata della sottomucosa. E qui possono rimanere localizzati o diffondersi per via ematica (batteriemia) arrivando a colonizzare anche organi molto distanti dal sito di entrata.

Penetrazione nelle cellule

I batteri possono replicare sia in ambiente extracellulare o all’interno della cellula. Possono produrre enzimi, invasine, che gli consentono un riarrangiamento dei filamenti di actina, con un riarrangiamento della membrana stessa che va ad inglobare il batterio, che entra nella cellula.

Come i patogeni danneggiano la cellula ospite

• Usando i nutrienti dell’ospite: siderofori, secreti dai batteri per sequestrare il ferro presente nel corpo umano;
• Causando danno diretto alle cellule: alcuni patogeni possono provocare la rottura delle cellule moltiplicandosi in esse, altri possono indurre la cellula ad autofagocitarsi;
• Producendo tossine: sostanze che contribuiscono alla patogenicità; esotossine ed endotossine.
• Inducendo reazioni di ipersensibilità.

Siti di uscita

Tratto respiratorio, gastrointestinale, genitourinario, pelle, sangue.

Proprietà patogenetiche dei funghi

• Saprofiti, commensali di organismi, alcune specie sono in grado di causare malattie: micosi.
• Alcuni possono produrre tossine che possono contaminare derrate alimentari: micotossicosi.
• Ingestione di funghi tossici: micetismo.

Proprietà patogenetiche dei protozoi

• Saprofiti, commensali, o parassiti di altri organismi:
• Parassiti sulla superficie di epiteli mucosi (es. Amebe, Flagellati intestinali).
• Parassiti a livello del sangue/tessuti profondi (es. Emoflagellati come i Tripanosomi).
• Parassiti endocellulari (Plasmodi: P. falciparum, P. vivax, P. malariae, P. ovale = Malaria Toxoplasma gondii = Toxoplasmosi).

Tossine

Tossine: sostanze che contribuiscono alla patogenicità (spesso sono il fattore primario nella patogenicità). Tossigenicità: capacità di produrre una tossina. Tossiemia: presenza di tossina nel sangue dell’ospite. Tossoide: tossina inattivata usata come vaccino. Antitossina: Anticorpi contro specifiche tossine.

Due tipi: esotossine ed endotossine.

Esotossine

Proteine prodotte durante le reazioni metaboliche sia da batteri Gram- e + e vanno verso l’esterno. Esempi: tossine che distruggono le membrane, tossine AB, pantropa, neurotossina, enterotossine, superantigene. Abbiamo tossine che possono avere diverso bersaglio (es. pantropa: cellule muscolari striate, quindi cardiache). Tossine che distruggono le membrane/strutture superficiali: possono agire formando delle proteine canale nella membrana plasmatica, e quindi portare a morte la cellula proprio per queste alterazioni negli scambi da dentro e fuori la cellula; es. Leucocidine – Emolisine – Streptolisine; oppure possono distruggere il doppio strato fosfolipidico della membrana citoplasmatica. È presente anche una tossina che distrugge i legami intercellulari: tossina esfoliativa di S. aureus.

Esotossine a struttura AB: la tossina AB è costituita da due porzioni, dove B sta per binding ed è la porzione di tossina che si lega al recettore della cellula bersaglio; la porzione A sta per active ed è effettrice del danno. Una volta che la tossina tramite B si è legata al recettore della cellula bersaglio, viene internalizzata, dentro l’endosoma della cellula bersaglio, e a questo punto A e B si separano, rilasciate nel citoplasma. B può uscire mentre la porzione A provoca il danno: può inibire la sintesi proteica della cellula bersaglio, può alterare il contenuto intracellulare di AMP-ciclico, può agire sul citoscheletro, può interferire con la trasmissione degli impulsi nervosi (neurotossine).

Neurotossine: esempi: Clostridium tetani: tetano spasmina, agisce a livello del SNC ed inibisce la liberazione dei neurotrasmettitori di tipo inibitorio (GABA). Andando ad inibire vi è una stimolazione continua dei neurotrasmettitori eccitatori, contrazione muscolare continua, porta alla paralisi spastica. C. botulinum: agisce a livello del SNP, a livello della placca motrice o giunzione neuromuscolare, va ad inibire il rilascio del neurotrasmettitore, che stimolerebbe la contrazione, l’acetilcolina. Ed inibendo il rilascio viene bloccata la contrazione muscolare, provoca la paralisi flaccida. Superantigeni: tossine che agiscono come superantigene; provocano il danno causando un’anomala ed intensa risposta immunitaria; rilascio massiccio di citochine dalla cellula, che possono causare febbre, nausea, vomito, diarrea, shock, morte. Es. Enterotossine stafilococciche.

Endotossine

Prodotte solo da batteri Gram- (perché fanno parte della struttura della cellula batterica Gram-, e sono costituite dal Lipopolisaccaride, sulla membrana esterna Gram-; vengono rilasciate esclusivamente quando il batterio muore e la membrana si disintegra). LPS, Lipide A: rilasciato alla morte cellulare. I sintomi sono causati dalla risposta infiammatoria dell’ospite alla presenza del lipopolisaccaride. Gram-: costituiti dalla membrana citoplasmatica, nello spazio periplasmico è presente una sottile parete di peptidoglicano, e poi al di fuori troviamo la membrana esterna (dove dopo lo strato di fosfolipidi troviamo l’LPS, costituito da una porzione lipidica, Lipide A: porzione tossica dell’endotossina batterica, e poi dal core polisaccaridico costituito dal polisaccaride O).

Sono rilasciate alla morte del batterio quando questo viene fagocitato dai nostri fagociti o distrutto dai nostri anticorpi o ucciso da antibiotici: portano al rilascio dell’endotossina. Provoca il suo danno dovuto alla risposta infiammatoria montata nei confronti dell’endotossina: febbre, per rilascio di interleuchina1, vasodilatazione, diminuzione pressione sanguigna, shock endotossico. Quando il batterio Gram- viene fagocitato dal macrofago, viene digerito al suo interno, questo porta alla liberazione dell’endotossina. Questa viene riconosciuta da altri macrofagi tramite recettori, e induce i macrofagi a produrre e rilasciare citochine infiammatorie come Interleuchina1 e TNF alfa; le citochine viaggiano attraverso il torrente circolatorio e Int1 può raggiungere l’ipotalamo, ed indurre la produzione di prostaglandine. Esse a loro volta resettano il nostro termostato ad una temperatura più alta del normale: febbre.

Farmaci antibatterici

Antibiotici: sostanze naturali prodotte da batteri o funghi in grado di inibire altri microrganismi. Chemioterapici: prodotti di sintesi, analoghi strutturali degli antibiotici.

I farmaci antibatterici possono avere due azioni:

• Batteriostatica, quando bloccano solo la crescita batterica;
• Battericida, quando uccidono il batterio.

Caratteristiche che un farmaco dovrebbe avere:

• Tossicità selettiva, deve andare ad agire su bersagli specifici.
• Spettro d’azione più o meno ampio (su più o meno microrganismi).
• Lunga emivita plasmatica.
• Adeguate concentrazioni al sito di infezione.
• Possibilità di essere somministrati facilmente attraverso varie vie (es. orale, parenterale).
• Non dovrebbe interagire con altri farmaci o causare reazioni avverse.

Come dovrebbe agire un farmaco antibatterico: 5 classi:

I. Inibitori della sintesi della parete cellulare

Utilizzo più comune; per tutti tipi infezioni; di questi fanno parte gli antibiotici B-lattamici, caratterizzati da un anello β-lattamico: le B lattamasi sono enzimi in grado di rompere questo anello portando ad un prodotto metabolicamente non più attivo e sono gli enzimi responsabili della resistenza che si può instaurare a questi farmaci. Tra i B-lattamici troviamo le penicilline (primi antibiotici ad essere stati scoperti, che hanno uno spettro ristretto verso i Gram+, e quelle successive semisintetiche con uno spettro esteso verso i Gram-), le cefalosporine (naturali e semisintetiche ad ampio spettro), altri B-lattamici (Monobattamici, Carbapenemici ad ampio spettro), altri inibitori della parete cellulare con struttura diversa, glicopeptidi come la vancomicina. Agiscono inibendo la sintesi di peptidoglicano, molecola peculiare e specifica della parete dei batteri. Si forma una parete cellulare meno rigida, in presenza di antibiotici, che porta alla lisi della cellula batterica.

II. Inibitori della sintesi degli acidi nucleici

Troviamo i chinoloni e i flurochinoloni, che sono dei chemioterapici, ad ampio spettro. Agiscono legando la DNA-girasi o topoisomerasi II e la topoisomerasi IV, enzimi coinvolti nella despiralizzazione del cromosoma batterico, essenziali per la replicazione del DNA. Inibiscono la sintesi del DNA. Abbiamo poi le rifamicine con la rifampicina, che inibiscono la RNA polimerasi e quindi la sintesi dell’RNA batterico. Pertanto inibiscono la sintesi dell’RNA messaggero e di conseguenza della sintesi proteica.

III. Inibitori della sintesi proteica

Troviamo gli inibitori dei ribosomi; distinguiamo inibitori della subunità 50S: i macrolidi, naturali e semisintetica, spettro ampio; e cloramfenicolo. Ed inibitori della subunità 30S, abbiamo aminoglicosidi e tetracicline.

IV. Inibitori di enzimi/vie metaboliche

(dell’acido folico: sulfamidici, trimethoprim), bersaglio specifico per farmaci antibatterici.

V. Inibitori di funzioni/danno alla membrana cellulare

(polimixine).

La scelta dell’antibiotico o del chemioterapico va fatta in seguito base all’esame batteriologico per l’identificazione del batterio responsabile dell’infezione che abbiamo in corso e anche in seguito alla determinazione della sua sensibilità ai farmaci antibatterici. Questo si può fare attraverso una tecnica di laboratorio, l’antibiogramma: che si basa sul principio che esiste una Relazione lineare tra la così detta MIC (Minima Concentrazione Inibente) e l’alone di inibizione della crescita batterica intorno ad un dischetto di carta imbevuto di farmaco, in piastre di agar.

L’utilizzo di antibiotici però non è privo di problemi: l’antibiotico sarà efficace anche verso i microrganismi utili presenti nel nostro microbiota. Causarà disbiosi, ossia alterati rapporti quali-e quantitativi della comunità microbica. Effetti collaterali: disturbi della digestione, diarrea, riduzione nella produzione/assorbimento di vitamine (K, B12) e nella protezione da infezioni, sovrainfezioni fungine. Oltre a questi effetti possono esserci degli effetti tossici diretti per azione dell’antibiotico su strutture dell’organismo ospite, per analogia strutturale con quelli microbici; altro problema: l’antibiotico resistenza. Microrganismo antibiotico-resistente si verifica quando un microrganismo sviluppa la capacità di resistere all’azione di uno o più antibiotici, rendendo i trattamenti inefficaci.