Microbiologia
Cenni di microbiologia
Generalità I batteri sono organismi unicellulari visibili al microscopio diffusi in ogni ambiente terrestre e distinguibili tra loro per esigenze nutrizionali e adattabilità ambientali. Appartengono al mondo dei protisti che include alghe, funghi, protozoi e virus (Figura 1). I protisti sono divisi in due gruppi principali: i procarioti e gli eucarioti sulla base della presenza in questi ultimi di una ben evidente membrana nucleare, che contiene il materiale genetico, del tutto assente nei procarioti. Eucarioti Batteri Nucleo evidente con membrana Nucleo non evidente Alghe Eubatteri Protozoi Clamidie,Spirocheti Miceti Micoplasmi Ricketsie Una caratteristica importante dei batteri, rispetto alle cellule superiori (eucariote) è la presenza di un involucro rigido (salvo rare eccezioni: micoplasmi, clamidie ecc.,) costituito da un grosso polimero detto peptidoglicano (vedi oltre) che conferisce loro una forma, una dimensione e una protezione nei confronti dell'ambiente esterno. Al microscopio sia ottico, sia elettronico, si presentano sotto diversi aspetti (Figura 2) che sono riconoscibili come cocchi, bastoncini o bacilli, coccobacilli, spirilli, treponemi, ecc., caratteristiche che facilitano la loro identificazione. Le dimensioni sono piuttosto variabili da 0,4 - 2 mm nei cocchi a 0,5 - 20 mm nei bastoncini. Morfologia dei batteri 1. Cocchi, 2. Diplococchi, 3. Streptococchi, 4. Stafilococchi 5.Tetradi di cocchi, 6. Coccobacilli 7. Clostridi, 8. Bastoncini, 9. Carbonchi, 10. Fusobatteri 11. Vibrioni, 12. Spirilli 13. Borrelie, 14. Treponemi 15. Leptospira Anatomia della cellula batterica a) biofilm (glicocalice o slime) b) capsula c) flagelli, pili o fimbrie d) involucro (parete in generale) totalmente diverso tra gram-positivi e gram-negativi (tale differenza è messa in rilievo proprio dalla colorazione di Gram) e) membrana citoplasmatica f) mesosomi g) citoplasma cromosoma o altro materiale genetico accessorio: es. plasmidi. ribosomi corpi inclusi Biofilm e capsula L'involucro dei microorganismi può presentare nella parte più esterna una struttura di natura polisaccaridica non ben delineata e facilmente separabile dal corpo batterico nota come glicocalice (slime). E' generalmente sintetizzata da batteri adesi a superfici lambite da liquidi, in clinica ad esempio sui cateteri venosi ed urinari. Tale struttura non appare essenziale per la sopravvivenza dei microrganismi ma li aiuta formando una barriera (filtro) nei confronti di sostanze antimicrobiche o di altri organismi. Quando sui cateteri si nota la formazione di slime l'unica soluzione terapeutica è la sostituzione del catetere. Considerando la cavità orale, ci si è chiesti da tempo perché le difese dell'ospite non siano in grado di prevenire la formazione e l'estensione della placca subgengivale, la più recente risposta chiama in causa il biofilm o glicocalice che si forma durante l'adesione e la stabilizzazione della placca batterica sulla superficie dei denti o delle gengive impedendo l'attività dei composti che esplicano la loro azione sulla superficie dei batteri (surfattanti), antibiotici e l'intervento dei macrofagi. Più consolidata e più all'interno si trova la capsula, sempre di natura polisaccaridica, aderente all'involucro e molto importante come fattore di patogenicità. La capsula protegge dalla fagocitosi e dall'azione di certi antibiotici, gioca un ruolo fondamentale nell'adesività' e nella colonizzazione di diversi substrati (denti). La capsula degli anaerobi è importante perché favorisce la formazione degli ascessi. Flagelli Sono appendici disposte sulla parte esterna dell'involucro. Nei batteri di forma bastoncellare possono presentarsi in tre modi: singolo flagello polare (monotrico), ciuffo di flagelli ai due poli (lofotrico) o disposti sull'intera superficie esterna (peritrico). Il filamento è formato da subunità di una proteina detta flagellina. Il flagello è inserito sul corpo batterico sino a livello della membrana. Il corpo basale consiste in una o due copie di anelli ove può ruotare come un asse in una boccola. Il flagello possiede un moto rotatorio nei due sensi orari, l'energia è fornita dalla forza protonmotrice. Tale forza è generata dagli ioni che rientrano nella cellula (attraverso la parete e generano ATP) a causa di un gradiente ionico che si forma durante i processi energetici cellulari. Il flagello consente alla cellula di muoversi nella varie direzioni. Il movimento è casuale con rapide inversioni di direzione, la presenza di sostanze nutrienti (attraenti) determina una riduzione del numero delle inversioni quando la cellula si muove verso il composto. Il movimento verso molecole che attraggono la cellula batterica si chiama chemiotassi positiva, la situazione inversa si ha in presenza di sostanze nocive per i batteri (repellenti) in tal caso si ha allontanamento del microorganismo (chemiotassi negativa). Pili o Fimbrie Le fimbrie sono appendici diverse dai flagelli, sono costituite da una proteina detta pilina che gioca un ruolo fondamentale nel processo di adesione dei batteri ad altre cellule (patogenicità). Spesso sono codificati dai plasmidi (vedi oltre) sia come fimbrie per l'adesività sia come pilo detto sessuale per creare un ponte citoplasmatico tra due cellule batteriche nei processi di coniugazione. Involucro delle cellule battericheRivestimento costituito da diversi strati che include la cellula batterica. Esistono due differenti tipi di involucro fondamentali: Gram-positivi consiste essenzialmente di tre strati: a) membrana citoplasmatica (membrana interna simile a quella dei gram-negativi) b) spesso strato di peptidoglicano (è sottile nei gram-negativi) c) strato superficiale non sempre presente detto capsula (simile nei gram-negativi) Gram-negativi (più complesso) a) membrana citoplasmatica (membrana interna simile a quella dei gram-positivi) b) spazio periplasmatico (è spesso nei gram-positivi) c) sottile strato di peptidoglicano (non presente nei gram-positivi) d) membrana esterna (non presente nei gram-positivi) e) strato superficiale non sempre presente detto capsula (simile nei gram-positivi) La parete (cell wall) E' lo strato compreso tra la membrana citoplasmatica e la capsula. Gram-positivi: peptidoglicano e acidi teicoici Gram-negativi: peptidoglicano, lipoproteine, membrana esterna e lipopolisaccaride (LPS) I batteri , sono classificati come gram-positivi o gram-negativi in accordo alla loro proprietà di ritenere il cristalvioletto dopo trattamento con alcool. Se l'alcool non decolora la fucsina non agisce ed essi restano scuri. Questa differenza risiede nella struttura della parete e per quanto molto si conosca sulla composizione chimica dei batteri il significato di questa differente risposta alla colorazione è attribuibile al maggior spessore del peptidoglicano dei gram+ che agisce con effetto spugna e nel tempo di 30" di trattamento con alcol non il cristalvioletto non riesce a defluire del tutto a differenza di ciò che avviene nei gram-. La parete fornisce ai batteri protezione osmotica (5-20 atm), e gioca ruolo fondamentale nella divisione. Non dimostra particolare permeabilità selettiva. Il peptidoglicano è un complesso polimero strutturato in tre parti: lo scheletro (N-acetilglucosammina e acido N-acetil muramico), un gruppo tetrapeptide e un gruppo peptide (cross-bridge) (legame crociato) Lo scheletro è lo stesso per varie specie batteriche, il tetrapeptide ed il legame crociato possono variare Gram-positivi La parete dei gram-positivi contiene quantità notevoli di ac. teicoico e ac. teicuronico (sino 50%), vi è inoltre uno strato di polisaccaride. Gli acidi teicoici sono presenti in due tipi: ac. teicoico di parete e quello di membrana (ac. lipoteicoico) che è legato ai glicolipidi della membrana e concentrato nei mesosomi. Gli ac. teicoici legano il magnesio e lo forniscono alla cellula. Si legano inoltre al calcio e giocano un ruolo fondamentale per l'adesività dei gram-positivi alla superficie dei denti (idrossiapatite che contiene calcio) Gli ac. teicuronici sono polimeri simili che presentano però ac. N-acetilmansuronico (acido-zuccheri) ecc al posto dell'acido fosforico. Sono sintetizzati al posto dell'acido teicoico quando il fosfato e' limitato. Polisaccaride: polimeri di mannoso, arabinoso, galattoso, ramnoso e glucosammina e altri acido zuccheri. Gram-negativi La parete dei gram-negativi presenta tre componenti posti all'esterno dello strato di peptidoglicano: 1) Lipoproteina 2) Membrana esterna 3) Lipopolisaccaride (LPS) 1) Lipoproteina Molecole costituite da non usuali lipoproteine legate al peptidoglicano e alla membrana esterna. Sono composte da 57 aminoacidi con ripetizioni di 15 aminoacidi in sequenza, un peptide è legato ad un residuo di acido diaminopimelico (DAP), un aminoacido che si trova solo nella parete dei batteri (può sostituire la lisina, dipende dalle specie) 2) Membrana esterna (Outer Membrane [OM]) La OM e' costituita da un doppio strato di fosfolipidi il più esterno del quali e' una componente del lipopolissaccaride (LPS). E' uno strato a mosaico contenente un set di proteine specifiche incastrate in una matrice fosfolipidica. La OM impedisce la perdita di proteine dello spazio periplasmico e protegge i batteri dai sali biliari e dagli enzimi idrolitici dell'ambiente. La presenza di pori consente l'ingresso di molecole a basso peso molecolare ed in parte previene l'ingresso di alcuni antibiotici. La proteina matrice (matrix protein) è una costituente fondamentale (Omp: outer membrane protein) formata da trimeri che formano pori lungo la OM per consentire l'ingresso di molecole di soluto. Altro gruppo lamB, tsx, responsabili dell'ingresso di alcuni zuccheri (maltoso). Terzo gruppo comprende proteine (ompA) che sono coinvolte nell'ancoraggio della OM con il peptidoglicano e possono rappresentare dei recettori per alcuni fagi (virus batterici). Sono presenti inoltre enzimi (fosfolipasi, proteasi) e proteine che legano la penicillina note come PBP(vedi oltre). Tutte queste proteine sono sintetizzate da ribosomi localizzati sulla membrana interna (IM), non e' noto il meccanismo con cui sono poi trasferite al OM. Una possibile sede e' quella della giunzione di Bayer che pone in unione la IM con OM. 3) Lipopolisaccaride (LPS) LPS consiste in un complesso lipide, chiamato LIPIDE A, al quale è attaccato un polisaccaride formato da un core e da una serie di unita' ripetute. Il lipide A e' costituito da unita' di-saccaridiche di glucosammina fosforilata al quale sono attaccate acidi grassi a catena lunga (ac. ß-hydroxymiristic, sempre presente, altri possono variare) Il core del lipopolisaccaride è costante in tutte le specie gram-negative, e' formato da unita' tri-, tetra- o pentasaccaridiche. Il LPS e' carico negativamente, tutte le catene sono unite tra loro in modo non covalente da ioni bivalenti, questo fornisce alla molecola stabilita' e impermeabilità alle molecole idrofobiche. Può essere rimosso con agenti chelanti, o con antibiotici come le polimixine, e gli aminoglicosidi. LPS, che e' estremamente tossico per gli animali, e' stato denominato ENDOTOSSINA dei batteri gram-negativi, e' liberato nell'ambiente quando la cellula lisa. La tossicità si deve al lipide A. LPS rappresenta il maggior antigene di superficie delle cellule noto come antigene somatico O. Data la grande variabilità di LPS, la risposta immunitaria verso questa struttura non può essere definitiva. Tanto è vero che non esistono vaccinazioni a lungo termine nei confronti dei gram-negativi. E' sintetizzato nella membrana citoplasmatica, ed e' necessario per il funzionamento di molte proteine della membrana esterna. 4) Lo spazio periplasmico E' compreso tra la membrana interna e quella esterna, e' riempito da un gel formato da peptidoglicano idratato. Diffusi nel gel vi sono inoltre proteine ed oligosaccaridi nonché proteine leganti specifici substrati, enzimi come la fosfatasi alcalina che reagendo con substrati li rendono trasportabili all'interno. Molti di questi composti intervengono nella regolazione della pressione osmotica, per esempio, cellule che crescono in ambiente ipotonico aumentano la sintesi di oligosaccaridi. Enzimi attivi sulla parete Lisozima, contenuto nella saliva, lacrime e mucosa nasale, Autolisine, contenute negli stessi batteri: glicosidasi, amidasi, e peptidasi (enzimi che intervengono sulla sintesi di parete). |
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