Appunti Microbiologia

EFFETTI AMBIENTALI SULLA CRESCITA MICROBICA:PH

L’acidità o l’alcalinità di una soluzione è espressa dal suo pH, in una scala in cui

la neutralità corrisponde a pH 7. Valori di pH inferiori a 7 sono acidi, mentre

quelli superiori a 7 sono alcalini (o basici). Il pH è una funzione logaritmica;

IL PH E LA CRESCITA MICROBICA

Ogni organismo cresce in un determinato intervallo di pH all’interno del quale è

possibile individuare un pH ottimale. La maggior parte degli ambienti naturali

presenta valori di pH compresi tra 5 e 9. I microrganismi estremofili che

crescono meglio a pH molto bassi, sono chiamati acidofili. Tra questi alcuni

sono acidofili obbligati, incapaci cioè di crescere a pH neutro. Un fattore critico

nello stabilire l’acidofilia è rappresentato dalla stabilità della membrana

citoplasmatica. Quando il pH si avvicina alla neutralità, le membrane

citoplasmatiche degli acidofili obbligati sono distrutte e le cellule lisano; così

per mantenere la stabilità della membrana, questi batteri necessitano di

elevate concentrazioni di ioni idrogeno. Alcuni microrganismi estremofili,

sebbene in numero limitato, hanno un pH ottimale di crescita molto elevato, a

volte prossimo a 10. Tale microrganismi sono noti come basofili. Questi si

trovano in habitat alcalini, come laghi alcalini e i suoli con elevato contenuto di

carbonato.

Il pH ottimale di crescita rappresenta solo il pH dell’ambiente extracellulare; il

pH intracellulare deve rimanere vicino alla neutralità in modo da impedire la

distruzione delle macromolecole cellulari acido-o alcalino labili.

I SISTEMI TAMPONE

In una coltura in batch, il pH può modificarsi durante la crescita come

conseguenza delle reazioni metaboliche che consumano o producono sostanze

acide o basiche. Per questo motivo, sostanze chimiche chiamate tamponi

vengono spesso addizionate al terreno di coltura al fine di mantenere il pH

relativamente costante. I tamponi sono efficienti solo in un ristretto intervallo

di pH, quindi è necessario scegliere il tampone più opportuno per l’intervallo di

pH in cui si desidera operare. Per intervalli di pH vicini alla neutralità (compresi

tra 6 e 7,5), il fosfato di potassio è un eccellente tampone.

EFFETTI OSMOTICI SULLA CRESCITA MICROBICA

La disponibilità di acqua è uno dei principali fattori che influenzano in natura la

crescita microbica. Tale disponibilità di acqua non dipende soltanto dal

contenuto di acqua nell’ambiente, ma anche in funzione della concentrazione

di soluti come sali, zuccheri o altre sostanze che si trovano disciolti nell’acqua.

Infatti, avendo i soluti un’elevata affinità per l’acqua, quella ad essi associata

non è più disponibile per i microrganismi.

In genere, la disponibilità di acqua è espressa in termini fisici come attività

dell’acqua (aw). Questa rappresenta il rapporto tra la pressione di vapore

dell’aria in equilibrio con una sostanza, o con una soluzione, e la pressione di

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vapore dell’acqua pura. I valori di aw sono compresi tra 0 e 1. Nel processo di

osmosi, l’acqua diffonde da comparti ad alta concentrazione (bassa

concentrazione di soluti) a comparti a bassa concentrazione (alta

concentrazione di soluti). Nella maggior parte dei casi, il citoplasma della

cellula ha una concentrazione di soluti più elevata di quella dell’ambiente

esterno, cosicchè l’acqua tende a penetrare all’interno della cellula; in tali

condizioni la cellula è detta essere in equilibrio idrico positivo.

GLI ALOFILI

Gli effetti dell’ osmosi sono interessanti soprattutto negli habitat caratterizzati

da un’elevata concentrazione di sali. I microrganismi marini hanno una

specifica richiesta di ioni sodio. Questi sono chiamati alofili e la loro crescita

richiede almeno un minimo di NaCl, ma l’optimum varia in base al tipo di

microrganismo. Per esempio sono detti basso alofili e moderato alofili

rispettivamente gli alofili con bassa (1-6%) e moderata (6-15%) richiesta di

NaCl. Gli organismi alotolleranti possono tollerare qualche riduzione della aw

del loro ambiente, ma in genere crescono meglio in assenza di soluti aggiunti.

Gli organismi capaci di vivere in condizioni d’elevata salinità sono chiamati

alofili estremi; questi microrganismi, per una crescita ottimale, richiedono 15-

30% di NaCl. Gli organismi capaci di vivere in ambienti in cui vi è un’elevata

concentrazione di zuccheri sono chiamati osmofili, mentre quelli che possono

vivere in ambienti molto secchi vengono chiamati xerofili.

SOLUTI COMPATIBILI

Quando un organismo cresce in un mezzo in cui l’attività dell’acqua è bassa,

può ottenere l’acqua dall’ambiente circostante solo aumentando la

concentrazione di soluti al suo interno. Il soluto che è utilizzato per regolare

l’attività dell’acqua all’interno del citoplasma non deve inibire i processi

biochimici della cellula stessa; composti di questo tipo vengono chiamati soluti

compatibili. Si tratta d zuccheri altamente solubili in acqua, di alcoli, di

aminoacidi o di loro derivati. I soluti compatibili possono venire sintetizzati

direttamente dai microrganismi oppure, come nel caso del potassio può essere

accumulato in seguito ad assunzione dall’ambiente.

OSSIGENO E CRESCITA MICROBICA

L’ossigeno è scarsamente solubile in acqua e, a causa delle attività respiratorie

dei microrganismi, in habitat acquatici o umidi può esaurirsi rapidamente. Di

conseguenza gli habitat microbici anossici sono abbondanti in natura e

comprendono il fango, le paludi, le melme e il sottosuolo.

In funzione delle loro relazioni con l’ossigeno, i microrganismi possono essere

suddivisi in diversi gruppi. Gli aerobi sono organismi capaci di crescere in

presenza di ossigeno a tensione naturale e respirano ossigeno nel loro

metabolismo. I microaerofili sono aerobi che possono impiegare l’ossigeno solo

se presente a livelli ridotti rispetto a quello nell’aria; ciò dipende dalla loro

limitata capacità respiratoria o dal fatto che contengono alcune molecole

sensibili all’ossigeno. Molti aerobi sono facoltativi, ossia in appropriate

condizioni di coltura e nutrienti, possono crescere sia in presenza che in

assenza di ossigeno. Alcuni microrganismi non possono utilizzare l’ossigeno

come accettore finale di elettroni; tali organismi sono detti anaerobi. Esistono

due tipi di anerobi: gli anaerobi aerotolleranti, capaci di tollerare l’ossigeno e di

crescere in sua presenza sebbene non possono utilizzarlo nel loro metabolismo;

e gli anaerobi obbligati, che sono inibiti o uccisi dall’ossigeno.

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GENI ED ESPRESSIONE GENICA

L’unità funzionale dell’informazione genetica è il gene. In tutte le cellule i geni

sono composti da acido deossiribonucleico (DNA). L’informazione è presente

nella sequenza di basi del DNA che sono : purine (adenina e guanina) e

pirimidine (timina e citosina). L’informazione contenuta nel DNA è trasferita

all’acido ribonucleico (RNA). L’RNA può servire da molecola informazionale di

transizione (messaggero), o può costituire parte attiva del macchinario

traduzionale della cellula. I processi molecolari che sono alla base del flusso

dell’informazione genetica possono essere suddivisi in tre stadi:

1) Replicazione: la molecola di DNA è una doppia elica costituita da due

lunghe catene. Durante questo processo il DNA si duplica, producendo

due doppie eliche.

2) Trascrizione: Il processo di trasferimento dell’informazione all’RNA è

definito trascrizione, e la molecola di RNA che porta l’informazione è

chiamata RNA messaggero (mRNA). Alcune regioni di DNA non codificano

proteine, ma contengono invece l’informazione per altri tipi di RNA, come

l’RNA transfer (tRNA) e l’RNA ribosomale (rRNA).

3) Traduzione: La sequenza di aminoacidi di ogni proteina è determinata

dalla specifica sequenza di basi presente nell’mRNA. Sono necessarie tre

basi per codificare un singolo aminoacido; ognuna di queste triplette

costituisce un codone. Il codice genetico viene efficientemente tradotto

in proteine da un complesso macchinario di sintesi costituito da ribosomi,

dai tRNA e da numerosi enzimi.

In tutti i tipi di cellule un gene viene sempre definito come quella sequenza di

DNA che codifica una specifica proteina, un tRNA o un rRNA. Negli eucarioti

però i geni codificanti le proteine sono frequentemente suddivisi in una o più

regioni codificanti intervallate da regioni non codificanti. Le sequenze

codificanti sono chiamate esoni, mentre le regioni non codificanti, intercalate

tra questi, sono dette introni. Introni ed esoni insieme danno origine ad un

trascritto primario che successivamente viene trasformato in mRNA maturo

(funzionale) mediante rimozione delle regioni non codificanti e trasportato nel

citoplasma per essere tradotto.

STRUTTURA DEL DNA

Nel DNA l’informazione genetica per tutti i processi cellulari è contenuta nella

sequenza di basi azotate della catena polinucleotidica. Nel DNA sono presenti

solo quattro basi diverse: adenina, guanina, citosina e timina. Lo scheletro del

DNA è costituito da unità alternante di fosfato e dello zucchero a cinque atomi

di carbonio, deossiribosio: ad ogni zucchero è legata una delle basi dell’acido

nucleico. Il fosfato che unisce due zuccheri forma un ponte dal carbonio 3’ di

uno zucchero al carbonio 5’ dello zucchero adiacente; ad un estremità della

molecola di DNA nello zucchero è presente un fosfato sull’ossidrile 5’ mentre

nell’altra estremità lo zucchero reca un ossidrile libero in posizione 3’.

IL DNA COME DOPPIA ELICA

In tutte le cellule il DNA è presente sotto forma di due filamenti polinucleotidici

contenenti sequenze di basi complementari. La complementarità del DNA viene

generata dall’appaiamento specifico delle basi puriniche e primidiniche:

adenina con timina e guanina con citosina. Nella molecola a doppio filamento i

due filamenti sono disposti in modo antiparallelo. I due filamenti sono avvolti

l’uno intorno all’altro a formare una doppia elica; nella quale il DNA forma due

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solchi distinti, il solco maggiore e il solco minore. Le molecole di DNA lunghe

sono abbastanza flessibili; i frammenti di DNA di lunghezza inferiore alle 100

paia di basi sono molto più rigidi; questi possono venire ripiegati dalle stesse

proteine con le quali interagiscono o in qualche caso possono essere dotati di

una struttura intrinsecamente curva. In quest’ultimo caso il DNA prende il

nome di DNA curv