Riassunti di Microbiologia

1 Microbiologia

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Introduzione alla Microbiologia

La Microbiologia è lo studio dei microrganismi e dei virus, di come essi operano, della loro diversità e della

loro evoluzione, oltre che al loro ruolo nel mondo. È sia una scienza di base che applicata.

La cellula microbica

La cellula microbica ovviamente è formata da una membrana cellulare che è la barriera che separa l’esterno

della cellula dall’interno.

Internamente, le informazioni genetiche sono contenute nel nucleoide per i procarioti, e nel nucleo per gli

eucarioti. Tutte le cellule sono composte da almeno 4 componenti chimici: proteine, acidi nucleici, lipidi e

polisaccaridi.

Le cellule microbiche sono caratterizzate da:

ossia l’assunzione di sostanze chimiche dall’ambiente, la loro trasformazione e la

1. Un metabolismo,

loro eventuale eliminazione come prodotti di scarto. Ricorda, la cellula è un sistema aperto;

2. Riproduzione, ossia la crescita, le sostanze vengono utilizzate per fabbricare nuove cellule;

3. Differenziamento, ossia la formazione di una nuova struttura cellulare, come una spora:

4. Comunicazione, ossia le cellule come comunicano o interagiscono soprattutto per mezzo di sostanze

chimiche rilasciate nell’ambiente;

5. Motilità;

6. Evoluzione, ossia come le cellule evolvono ed acquisiscono nuove proprietà biologiche.

Per sintesi del materiale cellulare la cellula deve avere informazione, precursori ed energia.

Ovviamente l’impatto dei microrganismi sull’uomo è ampio, a livello dell’agricoltura, cibo, sanità, energia ed

ambiente, biotecnologie ed altro ancora.

Le cellule microbiche si dividono in cellule procariote (batteri, archea), e cellule eucariote (funghi, alghe e

protozoi), quest’ultime sono di dimensioni più grandi, fin a 200µm.

La cellula procariota ha due strutture esterne: 1. Membrana citoplasmatica,

una struttura sottile che circonda

completamente la cellula

batterica, che ha la funzione di

trasporto dei nutrienti;

2. Parete cellulare, una

struttura complessa che

conferisce forma e rigidità che

circonda la cellula esternamente

alla membrana plasmatica. Ha

una funzione di prevenzione di

lisi osmotica.

3. Capsula Batterica: Non

sempre presente; è uno strato di

materiale prevalentemente

polisaccaridico che spesso si

trova sulla superficie della parete

delle cellule batteriche. È formato da una parte più densa ed aderente alla parete, e da uno strato

mucoso meno denso e facilmente rimovibile. Ha la funzione di aiutare aderenza alle superficie,

resistere alla fagocitosi ed all’attacco dei virus batterici, ed in generale è una protezione

all’essiccazione e da sostanze tossiche idrofobe, in quanto contiene molta acqua.

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Lo studio delle relazioni evolutive tra microrganismi ha portato ad una classificazione filogenetica, ossia il

grado di relazione evolutiva tra vari m.o, ottenuto grazie ad una analisi comparata di sequenze di rRNA, quindi

RNA ribosomiale.

Attualmente l’albero filogenetico della vita comprende 3 domini: Bacteria, Archaea ed Eucarya.

Si parla ovviamente nella sorgente di carbonio utilizzata dalle vie biosintetiche, che dividono i m.o in autotrofi

(utilizzano CO , sostanze inorganiche) ed eterotrofi (utilizzano composti organici).

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In base alla sorgente di energia, i microrganismi si dividono in organismi chemiotrofi (utilizzano energia da

reazione di ossidazione di composti chimici ridotti), a sua volta divisi in chemiorganotrofi e chemiolitotrofi, e

fototrofi (utilizzano la luce).

In base alle condizioni in cui vivono si dividono in ipertermofili (archea, molto caldo), psicrofili (batteri,

banchise polari), acidofili (sorgenti calde acide, archea), alcalofili (laghi con elevata concentrazione di

carbonato di sodio, archea), barofili (fondali oceanici, batteri), alofili (saline, archea).

La cellula

È l’unità fondamentale dei microrganismi, e possono essere cellule procarioti o eucariote. C’è da tenere in

conto che la composizione chimica della cellula batterica è formata da perlopiù acqua (70%) ed altre

macromolecole, ed in piccole quantità i micronutrienti come i metalli.

Le strutture cellulari si dividono in:

1. Nucleo (cellula eucariotica) e nucleoide (cellula procariotica): sito del materiale genetico;

2. Citoplasma: matrice contenente organelli (eucariote) oppure diverse inclusioni con varie funzioni

(procarioti); permeabilità selettiva che separa l’interno della cellula dall’esterno. A livello

3. Membrana: barriera con

della membrana invece troviamo le proteine di membrana, di due tipi: integrali, che penetrano nella

membrana e la attraversano, questa regione non polare interagisce con gruppi non polari dei fosfolipidi; e

le proteine estrinseche o periferiche, che non penetrano nella membrana ed interagiscono con la

superficie della membrana con legami elettrostatici;

4. Periplasma: spazio compreso tra parete e membrana;

5. Parete: struttura indispensabile per la vitalità dei procarioti, non sempre presente negli eucarioti;

6. Capsula: rivestimento esterno non sempre presente nei procarioti;

7. Flagelli, pili, fimbrie: strutture per movimento ed adesione alle superfici, non sempre presente.

I componenti intracellulari esclusive degli eucarioti invece, si suddividono in:

1. Nucleo, circondato da membrana e contenente cromosomi. Organulo sferico delimitato da doppia

membrana, con pori, in alcuni punti in continuità con il reticolo endoplasmatica. Contiene il DNA nucleare,

organizzato in cromosomi. I cromosomi contengono DNA lineare a doppia elica e proteine (istoni).

Il trasferimento dell’informazione genetica si ha dal nucleo al citoplasma, attraverso poi il processo di

trascrizione e traduzione;

2. Reticolo endoplasmatico, con ribosomi attaccati alla sede della sintesi proteica;

3. Apparato del Golgi, la sede di trasformazione delle proteine sintetizzate su reticolo;

4. Mitocondri, sede della respirazione, ossia il meccanismo per produrre energia;

5. Vacuoli, che contengono molti enzimi litici e fungono da magazzino per nutrienti cellulari;

Componenti intracellulari dei procarioti

Il materiale cellulare circondato dalla membrana citoplasmatica può essere suddiviso in: area cromatica o

nucleare, ricca di DNA, ed area citoplasmatica, formato da una porzione granulare ricca di RNA e di

inclusioni, una porzione liquida con sostanze nutritive in soluzione.

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Area nucleare

Contiene il nucleoide, o cromosoma batterico, ossia quella molecola elicoidale di DNA a doppio filamento di

forma circolare o più raramente lineare, dispersa nel citoplasma. Distesa su tutta la sua lunghezza, il nucleoide

raggiungerebbe la dimensione di 1 mm.

Il nucleoide quindi contiene l’informazione nucleare. In fase poi di moltiplicazione della cellula, possono

essere presenti 2,4 o più copie di DNA. La molecola di DNA è super avvolta grazie all’azione di enzimi, e nel

suo complesso troviamo anche mRNA e proteine come le RNA polimerasi.

Possono anche essere presenti plasmidi, ossia molecole circolari a doppio filamento di DNA extra-

cromosomico che non contengono informazioni essenziali. Si dividono in:

1. Plasmidi R, che codificano fattori determinanti per la resistenza ad antibiotici;

2. Plasmidi di virulenza, che codificano fattori necessari per la virulenza;

3. Plasmidi con geni per funzioni metaboliche specializzate, che hanno funzione di degradazione, ecc.

I plasmidi si possono replicare, alcuni integrandosi nel cromosoma batteri, in quel caso parliamo di episomi.

un batterio all’altro mediante il processo di coniugazione.

Inoltre, possono essere trasferiti da

Inclusioni citoplasmatiche

Nel citoplasma possono essere presenti granuli di varia natura in base alle sostanze di riserva:

1. Granuli di polisaccaridi;

2. Lipidi;

3. Granuli di zolfo, presenti nei solfobatteri;

4. Granuli di ferro, presenti nei ferrobatteri;

5. Granuli di azoto, come la cianoficina, presente nei cianobatteri;

6. Granuli metacromatici o di volutina.

Possono essere presenti anche vescicole gassose, non comuni e prodotte solo da alcune specie acquatiche,

come i cianobatteri o i solfobatteri verdi. Hanno un involucro proteico, formato da amminoacidi idrofobici che

impediscono l’ingresso di acqua nella vescicola. Conferiscono la galleggiabilità, anche se alcuni cianobatteri

vanno in profondità collassando le vescicole.

Cellule batteriche particolari

I licheni hanno strutture simili alle foglie, capaci di crescere sulle rocce, sugli alberi e su altre superfici. Sono

un esempio di mutualismo microbico, dove due organismi vivono insieme traendone reciproco vantaggio.

Sono costituiti da: un fungo ed un cianobatterio (procariote fototrofo) o un fungo e un’alga (eucariote

fototrofo).

Il fototrofo è il produttore primari, mentre il fungo fornisce a fototrofo ancoraggio e protezione dagli agenti

esterni.

Altri microrganismi sono: batteri, microalghe, funghi (muffe e lieviti).

I virus invece sono particelle di dimensione microscopica, cosiddetti parassiti intracellulare obbligati.

all’interno delle cellule infettate,

Sono elementi genetici costituiti da RNA o da DNA, che si replicano soltanto

e sono caratterizzate dall’avere uno stato extracellulare.

La nutrizione microbica

Processo mediante il quale i microrganismi assumono dall’ambiente tutte le sostanze necessarie (nutrienti) per:

sintesi del materiale cellulare, e quindi la crescita e moltiplicazione.

L’assimilazione dei nutrienti nella cellula avviene attraverso vari meccanismi diversi. La membrana

citoplasmatica ovviamente funge da barriera selettiva tra ambiente esterno e citoplasma.

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Per diffusione passiva, passa solo H 0, gas e piccole molecole idrofobiche. Questa diffusione consente di

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raggiungere una concentrazione di nutrienti all’interno della cellula uguale a quella esterna.

+

Gli ioni H e le molecole idrofiliche polari non passano liberamente, ma utilizzano diversi meccanismi di

trasporto, come la diffusione facilitata, trasporto attivo e la traslocazione di gruppo. Tutti meccanismi che

consentono di raggiungere una concentrazione di nutrienti all’interno della cellula maggiore di quella esterna.

1. La diffusione passiva è un meccanismo di trasporto che lavora secondo gradiente di concentrazione.

Il nutriente infatti non interagisce con nessun componente cellulare, ed avviene senza dispendio

energetico.

2. La diffusione facilitata, invece, è un meccanismo di trasporto secondo gradiente di concentrazione. Il

nutriente interagisce con una proteina di membrana specifica, la permeasi detta carrier. Avviene senza

dispendio energetico, infatti l’energia è data dal cambiamento di conformazione della proteina.

Velocizza il processo di diffusione ed il nutriente viene subito metabolizzato, ciò consente di

mantenere una concentrazione interna costante.

3. Il trasporto attivo è un meccanismo di trasporto contro gradiente di concentrazione. Il nutriente

interagisce con una proteina di membrana specifica che non viene chimicamente alterato al momento

del passaggio dentro il citoplasma. È un processo che avviene con dispendio energetico, grazie all’ATP

o per gradiente protonico, che sfrutta il gradiente di protoni esistente tra le due superfici di membrana,

detta anche forza proton-motrice.

deriva l’energia dalla separazione di cariche elettriche di segno opposto, che

4. La forza proton-motrice negativa all’interno e

conferiscono un potenziale elettrico ai due lati della membrana, che ha carica

positiva all’esterno.

È causata da un gradiente protonico generato dalla separazione degli ioni idrogeno (H+) dagli ioni

ossidrili (OH-). La forza proton-motrice, o PFM, è determinante per trasporto di sostanze, motilità,

dell’ATP.

biosintesi

5. La traslocazione di gruppo è un meccanismo di trasporto contro gradiente di concentrazione. Il

nutriente interagisce con una proteina di membrana specifica e viene chimicamente alterato al

momento del passaggio dentro il citoplasma. Avviene con dispendio energetico, infatti coinvolge

legami fosfato ad alta energia.

Classifica nutrizionale dei microrganismi

Tutti i microrganismi necessitano di una fonte di carbonio per la sintesi del materiale cellulare ED una fonte

di energia, per lo svolgimento della reazione coinvolte in tale processo di sintesi.

In base alla sorgente di C utilizzata per le vie biosintetiche i microrganismi vengono classificati in:

1. Autotrofi, utilizzano la CO ;

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2. Eterotrofi, utilizzano composti organici.

In base invece alla sorgente di energie, utilizzata i microrganismi vengono classificati in:

1. Fotoautotrofi, utilizzano la luce, che possono essere a sua volta fotoautotrofi, fotoeterotrofi. Esempi,

cianobatteri, batteri rossi non-sulfurei;

utilizzano l’energia

2. Chemiotrofi, di reazione di ossidazione di composti chimici ridotti, a sua volta

chemio-autotrofi, o chemio-eterotrofi. Esempio, batteri nitrificanti.

Nella produzione di energia, c’è di solito una reazione di ossido-riduzione, in cui un composto viene

ossidato (donatore di elettroni) ed uno ridotto (accettore di elettroni). Il rilascio di energia dipende

dalla differenza di potenziale tra donatore ed accettore, ossia il potenziale di riduzione.

In base al donatore di elettroni i microrganismi vengono classificati in: litotrofi, dove sono composti

inorganici ridotti, ed organotrofi, dove si tratta di composti organici.

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Breve specchio sul carbonio ed azoto

Il carbonio è presente nella cellula ad uno stato di ossidazione analogo a quello dei carboidrati che può essere

espresso come CH O.

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I chemioeterotrofi richiedono poco potere riducente perché utilizzano fonti di carbonio allo stesso di

ossidazione dei composti cellulari.

I chemioautotrofi invece, richiedono molto potere riducente perché utilizzano la CO .

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L’azoto è presente nella cellula sottoforma di gruppi aminici, ossia R-NH . Sono allo stesso livello di

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ossidazione del NH, e quando viene fornito come NH o come peptidi non è richiesto apporto netto di potere

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riducente. Al contrario, se viene fornito sottoforma di nitrato, è richiesto potere riducente.

La struttura della cellula microbica

Dall’interno verso l’esterno della cellula troviamo: l’endospora batterica, che non è sempre presente nei

batteri, membrana citoplasmatica, periplasma, parete cellulare, e strutture esterne alla parete cellulare, come

pili, fimbrie, flagelli, capsule.

Nella cellula procariota, troviamo due strutture principali:

1. La membrana citoplasmatica: una struttura sottile che circonda completamente la cellula batterica, la cui

funzione principale è il trasporto dei nutrienti;

2. La parete cellulare: una struttura complessa che conferisce forma e rigidità, e che circonda la cellula

esternamente alla membrana citoplasmatica. Ha la funzione di prevenzione della lisi osmotica.

La membrana citoplasmatica

In tutte le cellule, eucariotiche e procariotiche, la membrana circonda il citoplasma, è una struttura sottile, di

pochi nanometri. Rappresenta 8-15% del peso totale della cellula.

che media i rapporti della cellula con l’ambiente esterno, inoltre è anche una

Si tratta della struttura principale

membrana semipermeabile, e selettiva, che regola il passaggio delle sostanze nutritive e dei prodotti di rifiuto.

In tutte le cellule la composizione è simile, è costituita da fosfolipidi e proteine, in quantità variabile in funzione

dei microrganismi e delle condizioni ambientali. Altri costituenti sono specifici in base alla specie.

Il fosfolipide è formato da glicerolo, che è idrofilo, ed acidi grassi, che sono invece idrofobici. Nei Bacteria e

negli Eucarya è presente il legame estere e catene di acidi grassi lineari.

Nella membrana, troviamo delle proteine di membrana. Si dividono in proteine integrali, che penetrano nella

membrana e la attraversano, e si trovano nella regione non polare dei fosfolipidi; e proteine estrinseche, che

non penetrano nella membrana, ed interagiscono con la superficie della membrana con legami elettrostatici.

Le proteine sono implicate nei meccanismi di trasporto.

Altri costituenti di membrana sono gli steroli e gli opanoidi, i primi sono presenti negli Eucarya ed in pochi

Bacteria, sono planari e rigidi, i secondi sono presenti nei Bacteria e danno stabilità alla membrana.

Un esempio sono i lieviti, dove troviamo gli steroli nella membrana.

Le funzioni della membrana citoplasmatica sono varie:

1. Separazione fisica tra citoplasma ed ambiente esterno e separazione della materia vivente in compartimenti;

2. Permeabilità selettiva: regola il passaggio delle sostanze nutritive e dei prodotti di rifiuto consentendo alla

cellula una composizione costante.;

3. Sede di processi metabolici inerenti al trasporto di elettroni (forza proton-motrice), la fosforilazione ossidativa,

ecc.… grassi di membrana, ecc.…

4. Sede di risposta a fattori di stress, come la diversa composizione in acidi

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Quindi, per riassumere, è una vera e propria barriera permeabile, che impedisce la fuoriuscita del citoplasma

e funziona come barriera selettiva per il trasporto di sostanze in entrata ed in uscita, è la sede di diverse proteine

coinvolte nel trasporto, nella bioenergetica e nella chemiotassi, ed è anche sede di origine ed utilizzazione della

forza proton-motrice.

La permeabilità dipende da vari fattori, come dimensioni, carica, polarità della sostanza.

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