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Appunti di Microbiologia
Informazioni:Prof Eugenio Debbia
Università di Genova Scuola di Scienze Mediche e Farmaceutiche
DISC-Sezione di Microbiologia,
Largo Rosanna Benzi 10,16132 Genova
http://www.microbiologia.unige.it/dpb/indexxx.htm
Dinamica delle Popolazioni BattericheLaboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia
Largo Rosanna Benzi 10,16132 Genova
Tel: 010-353 38136,
329 260 5218 338 88 05 256
FAX: +39-010-353 7651
http://www.microbiologia.unige.it/dpb/indexxx.htm
e-mail: [email protected]
W. Churchill
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Testi consigliati
Antonelli et al. Principi di Microbiologia Medica II ed. CEA 2012
La Placa Microbiologia Medica. Edises 2014
Jawetz et al. Microbiologia Medica. Piccin 2012
M P Conte, P. Mastromarino . Microbiologia Medica
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Dinamica delle Popolazioni BattericheLaboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia
M P Conte, P. Mastromarino . Microbiologia Medica Batteriologia e Virologia. Esculapio 2014
Wessner et al. Microbiologia. CEA, 2015
Brock- 3 Biologia dei microorganismi Pearson 2016
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Con il microscopio si incomincia a pensare all’invisibileE ciò permette la scoperta dei microrganismi
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Olanda 1674
Anton van Leeuwenhoek
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Il microscopio a lente singola di Leeuwenhoek
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Germania 1840Friedrich Henle
Teoria del “germe”
I microorganismi sono responsabili di
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responsabili di MALATTIA nell’uomo
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Vienna 1850-1860
I.F. Semmelweis
Tentò di dimostrare che igermi dalla sala di anatomiagiungevano alla sala parto,
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giungevano alla sala parto,tramite i medici e gli studentiSuggerì la disinfezione dellemani prima di interveniresulla puerpera.Non fu mai ascoltato
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1870-1880Francia e Germania
viene dimostrato che alcuni microorganismi sono i responsabili di carbonchio, rabbia, peste, colera e tubercolosi
Pasteur Koch
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MICROBIOLOGIA
• Batteri
• Virus• Virus
• Miceti
• Protozoi e altri parassiti
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MicrorganismiOrganismi unicellulari
EucariotiNucleo evidente con
Batteri
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Nucleo evidente con membrana
Nucleo non evidente
AlgheProtozoiMiceti
EubatteriClamidie
SpirocheteRickettsie
Micoplasmi
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Cellula Eucariotica
Cellulaprocariotica
BATTERIdimensioni
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Nucleo
procariotica
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Citoplasma Nucleoide Ribosomi
Membranacitoplasmatica
Reticolo endoplasmatico
RibosomiNucleo
NucleoloMembrana
STRUTTURA INTERNA DELLA CELLULA MICROBICAa) CELLULA PROCARIOTICA b) CELLULA EUCARIOTICA
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Paretecellulare Membrana
citoplasmatica
Membrananucleare
Citoplasma
Mitocondrio
Cloroplasto
plasmide
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Parete
CitoplasmaFlagelloMembrana
Composizione: H2O (80%), K, Na, Mg, Ca, Fe, Zn, P, S e macromolecole organiche
localizzazione delle macromolecole nella cellula batterica
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Proteine
Acidi nucleici
Lipidi
Polisaccaridi
Nucleoide Ribosomi
GranuliD’accumulo
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G. Antonelli, M. Clementi, G. Pozzi, G.M. Rossolini Principi di Microbiologia medica, II ed. Copyright 2011 C.E.A. Casa Editrice Ambrosiana
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1. Cocchi, 2. Diplococchi,
3. Streptococchi, 4. Stafilococchi
5.Tetradi di cocchi, 6. Coccobacilli
7. Clostridi, 8. Bastoncini,
9. Carbonchi, 10. Fusobatteri
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11. Vibrioni, 12. Spirilli
13. Borrelie, 14. Treponemi
15. Leptospira
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IL MICROSCOPIO OTTICO
• Vite macrometrica : è la manopola di regolazione grossolana della messa a fuoco.
• Vite micrometrica : permette la regolazione fine della messa a fuoco.
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fuoco.
•• Regolatore dell’intensità
luminosa: permette di variare l’intensità luminosa del campo.
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COLORAZIONE semplice DELLE CELLULE PER L’OSSERVAZIONE
MICROSCOPICA
Strisciare la coltura su un vetrinoFormando uno strato sottile
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Asciugare all’aria
Passare il vetrino sulla fiamma per fissare il campione
Ricoprire il vetrino con coloranteRisciacquare e asciugare
Porre una goccia d’olio (da immersione) sul vetrino; osservare con l’obiettivo 100x
Vetrino Olio100x
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Hans Joachim Christian GramIl suo nome è legato all'importante scoperta della colorazione di Gram da lui effettuata nel 1884 a Berlino:
mentre esaminava del tessuto polmonare di pazienti deceduti per
polmonite notò che le cellule
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polmonite notò che le cellule batteriche si coloravano più
intensamente con cristal violetto e soluzione di lugol
Tale colorazione è tutt'oggi essenziale nella classificazione dei
batteri
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COLORAZIONE DI GRAM (complessa o differenziale)
Fase 1
Fase 2
Ricoprire lo striscio fissato al calore con cristal-violetto per 2-3 minutiTutte le cellule si coloreranno di viola
Aggiungere soluzione iodata per 1 minuto
Le cellule rimarranno viola
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Fase 3
Fase 4
Le cellule rimarranno viola
Decolorare in alcool per circa 1-2 minutiLe celluleGram-positive risulteranno viola, quelle Gram-negative incolori
Colorare con fucsina per 1-2 minutiG-
G+
Le celluleGram-positive (G+) risulteranno viola, quelleGram-negative (G-) avranno una tonalità da rosa a rosso
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La colorazione di Gram
Un Gram positivo Un Gram negativo Un Gram positivo
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Un Gram positivo Un Gram negativo Un Gram positivo
Bastoncelli Gram negativi misti a cocchi Gram positivi
Cocchi Gram positivi
Cocchi Gram positivi
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Colorazione di Ziehl-Neelsen(bacilli alcool-acido resistenti)
Fucsina fenicata a caldo 5 m
Acido solforico (20%) 30’’
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Acido solforico (20%) 30’’
Alcool 30’’
Blu di metilene 1 m
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Batteri alcool-acido resistenti: rossi su fondo blu azzurro
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Osservazione a contrasto di fase
Un batterio (L. sakei), Un lievito (S. cerevisiae), Una muffa (G. candidum),
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Un batterio (L. sakei),400x 400x
Una muffa (G. candidum),400x
Un attinomicete400x
Un lievito (Y. lipolytica)400x
Una muffa (R. oligosporus),400x
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Osservazione in campo scuro
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Anatomia della cellula batterica
Schematicamente dall'esterno verso l'interno i batteri presentano:
a) glicocalice o slimeb) capsulac) flagelli, pili o fimbried) involucro (parete in generale) totalmente diverso tra gram-positivi e gram-negativi (tale differenza è messa in rilievo proprio dalla colorazione di Gram)
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dalla colorazione di Gram)e) membrana citoplasmaticaf) mesosomig) citoplasma cromosoma o altro materiale genetico accessorio: es. plasmidi. ribosomicorpi inclusi
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Glicocalice
Materiale stratificato intorno alla cellula
Strato S: distribuzione regolare (cristallina)di sub-unità glicoproteiche
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di sub-unità glicoproteiche
Capsula: matrice fibrosa costituita dapolimeri di carboidrati
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Flagelli
Moto brownianoMovimento attivo
Flagello: unico filamento sprovvisto
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Flagello: unico filamento sprovvistodi membrana – flagellina-(diversa in specie batteriche diverse)Chemiotassi positivae negativa
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STRUTTURA DI UN FLAGELLO
BATTERICO
Anello L
Uncino
Flagellina
Filamento
Membrana EsternaLPS
Richiede molta energia
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Membranacitoplasmatica
Proteina Mot
Periplasma
Proteina Fli invertitore del motore
Anello MS
Peptidoglicano
Anello P
Richiede molta energiaATP
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Pili o Fimbrie
Le fimbrie sono appendici diverse dai flagelli,sono costituite da una proteina detta pilina chegioca un ruolo fondamentale nel processo diadesione dei batteri ad altre cellule(patogenicità). Spesso sono codificati dai
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(patogenicità). Spesso sono codificati daiplasmidi (vedi oltre) sia come fimbrie perl'adesività sia come pilo detto sessuale percreare un ponte citoplasmatico tra due cellulebatteriche nei processi di coniugazione.
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Type I fimbriaeAfimbrial adhesin
Type IV fimbriae (= bundle forming pilus) Curli
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La Parete (Cell-Wall)
E’ lo strato compreso tra la membrana citoplasmatica e la capsula
Gram+: peptidoglicano e ac. teicoici
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Gram-: peptiglicano, lipoproteine, membrana esterna e lipolisaccaride (LPS)
Fornisce protezione osmotica (5-20 atm) entra in gioco nella divisione non ha permeabilità selettiva
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Gram positivi Gram negativiPeptidoglicano Peptidoglicano
RAPPRESENTAZIONE SCHEMATICA
DELLA PARETE CELLULAREDEI GRAM POSITIVI E NEGATIVI
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Membrana citoplasmatica
MembranaPeriplasmaMembrana esternaLipopolisaccaridi eproteine
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PARETE CELLULARE DEI GRAM POSITIVI
Acido teicoicoProteina associata alla parete
Acido lipoteicoico
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lipoteicoico
Peptidoglicano
Membrana citoplasmatica
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BATTERIO GRAM NEGATIVO
Membrana esterna
Membrana citoplasmatica
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citoplasmatica
Peptidoglicano
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PARETE CELLULARE DEI GRAM NEGATIVI
Polisaccaride O-specifico Core polisaccaridico
Esterno
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Membranaesterna
Periplasma
Membranacitoplasmastica Interno
FosfolipidePeptidoglicano
Lipoproteina
Lipide APorina
Lipopolisaccaride(LPS)
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http://www.microbiologia.unige.it/dpb/indexxx.htm
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G. Antonelli, M. Clementi, G. Pozzi, G.M. Rossolini Principi di Microbiologia medica, II ed. Copyright 2011 C.E.A. Casa Editrice Ambrosiana
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Enzimi attivi sulla parete
Lisozima, contenuto nella saliva, lacrime e mucosa nasale,
Autolisine, contenute negli stessi batteri:
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Autolisine, contenute negli stessi batteri: glicosidasi, amidasi e peptidasi
(enzimi che intervengono sulla sintesi di parete).
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Membrana citoplasmatica
Costituita da fosfolipidi e proteine, noncontiene steroli (negli eucarioti) presentainvaginazioni: i mesosomi importanti nella
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invaginazioni: i mesosomi importanti nellaformazione del setto vi è attaccato il DNAincerte specie su altri mesosomi vi è un sistemadi trasporto attivo (fotosintesi, azoto)
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Doppio strato fosfolipidico della Membrana Citoplasmatica batterica
Regione idrofila
Acidi grassi
Lipidi 40% (steroli assenti, fosfolipidi ++)
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idrofila
Regioneidrofobica
H2OFosfato
Glicerolo
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STRUTTURA DELLA MEMBRANA
CITOPLASMATICA
Fosfolipidi Esterno Gruppi idrofilici
Gruppi
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MolecolafosfolipidicaProteine integrali
di membrana
Gruppi idrofobici
Interno
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Membrana citoplasmaticaFunzioni
permeabilità selettiva e trasporto,trasporto elettroni e fosforilasi ossidativaescrezione enzimi idroliticicontiene enzimi e proteine (carrier) deputate alla sintesi del
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contiene enzimi e proteine (carrier) deputate alla sintesi del DNA, polimeri della parete, lipidi di membrana contiene recettori e proteine necessarie alla chemiotassi
Il 50% della membrana si presenta in uno stato semifluido dovuto alla grande attività per la crescita batterica
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FUNZIONI DELLA MEMBRANA CITOPLASMATICA
Barriera di permeabilità
Previene dispersioni e funziona come centro di transito per il trasporto di nutrienti da e verso la cellula
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Sito di ancoraggio
Produzione dell’energia
Siti di molte proteine coinvolte nel trasporto, nelle vie biosintetiche e nella chemiotassi
Enzimi della catena respiratoria
Mesosomi ?
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Forza motrice protonica: le reazioni biochimiche a livello di MC creano un eccesso di H+ all’esterno (gradiente) che tendono a rientrare. Attraverso ATPasi la cellulagenera ATP.
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Lo spazio periplasmico
E’ compreso tra la membrana interna e quellaesterna, è riempito da un gel formato dapeptidoglicano idratato. Diffusi nel gel vi sonoinoltre proteine ed oligosaccaridi nonché proteineleganti specifici substrati,enzimi come la fosfatasi
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leganti specifici substrati,enzimi come la fosfatasialcalina che reagendo con substrati li rendonotrasportabili all’interno. Molti di questi compostiintervengono nella regolazione della pressioneosmotica, per esempio, cellule che crescono inambiente ipotonico aumentano la sintesi dioligosaccaridi.
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STRUTTURA DEL LIPOPOLISACCARIDE DEI BATTERI
GRAM NEGATIVI
Polisaccaride O-specifico Core polisaccaridico Lipide “A”
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Acidi grassi saturi
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Struttura UNITA’ BASALE
N-acetilglucosamina (G) Acido N-acetilmuramico (M)
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Gruppo N-acetile
Legamipeptidici
Acido Meso diaminopimelico
Legame sensibileAl lisozima
L-alanina
Acido D-glutammico
D-alanina
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LEGAME TRA LE UNITA’ PEPTIDICHE E GLICANICHE NELLA FORMAZIONE DELLO
STRATO DI PEPTIDOGLICANOScheletro del glicano
Peptidi
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Staphylococcus aureus(Gram positivo)
Escherichia coli(Gram negativo)
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Sistemi di secrezione(Gram-negativi)
Sono NOTI SEI (sette) SISTEMI di esportazione di molecole effettrici nella membrana e citoplasma della cellula ospite della quale modulano ed alterano le funzioni per favorire la propria sopravvivenza e replicazione nei tessuti dell.ospite. L’energia
necessaria per il trasporto del substrato è fornita da ATP per azione di ATPasi (tranne che nel sistema IV) situata nella
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azione di ATPasi (tranne che nel sistema IV) situata nella faccia interna della membrana citoplasmica. Alla
secrezione di molte proteine batteriche partecipano delle chaperonineche legano il substrato, ne impediscono la
degradazione e ne orientano il passaggio attraverso i vari sistemi
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Sistemi di secrezione(Gram-negativi)
Tipo I: la proteina è direttamente liberata nell’ambiente attraverso una porina
Tipo II: la proteina viene immessa nello spazio periplasmico quindi un vettore la porta all’esterno
TipoIII: la proteina è introdotta nella cellula bersaglio direttamente con un meccanismo tipo siringa
TipoIV: il prodotto è inserito in un altro microorganismo o cellula
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TipoIV: il prodotto è inserito in un altro microorganismo o cellula mediante un ponte citoplasmatico (donatore e ricevente)
Tipo V: la proteina è portata all’esterno mediante se stessa (autotrasporto)
Tipo VI: la proteina è direttamente iniettata nella cellula bersaglio (eu-procariota) mediante meccanismo attivo (coda di fago)
Tipo VII: (MT) la proteina è immessa fuori dalla membrana interna e portata all’esterno attraverso un meccanismo non ancora noto
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Fig. 4. Model for type VII secretion. Both Esx and PE/PPE proteins are exported as dimersby the T7S secretion machinery. Substrate recognition occurs via a C-terminal secretion motif on one of the dimer subunits (indicated by a red box). The cytosolic component EspG specifically recognizes PE/PPE proteins and possibly targets these substrates to the putative membrane channel that consists of EccB, EccC, EccD and EccE. The three nucleotide binding domains of EccC are likely involved inenergizing translocation of substrates through this channel. In this model, T7S is a two-step process, in which the channel in the outer membrane refers to a hypothetical, so far unidentified pore.
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Figure 1 | Schematic representation of the different type-IV-dependent mechanisms. The three subfamilies of type IV secretion (T4S) systems are shown.
Conjugationmachines deliver DNA to recipient bacteria and other cell types by cell-to-cell contact.
DNA-uptake and –release systems exchange DNA with the extracellular milieu independently of contact with
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59 59
milieu independently of contact with target cells.
Effector translocators deliver DNA or protein substrates to eukaryoticcells during infection. The effector translocators contribute in markedly different ways to the infection processes of the bacterial pathogens shown. PT, pertussis toxin
Eric Cascales and Peter J. Christie 2003 THE VERSATILE BACTERIAL TYPE IV SECRETION SYSTEMS. Nature Rev Microbiology 1:137-149
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Sistemi di secrezione(Gram-positivi)
Le proteine elaborate nel citoplasma sono trasferite a livello di membrana citoplasmatica qui alcune proteine vettore (chaperone)
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qui alcune proteine vettore (chaperone) mediano il passaggio attraverso la parete durante il quale la proteina si trasforma nella versione funzionale con meccanismo non noto
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FUNZIONI DEL CROMOSOMA
Il cromosoma consiste di circa 3,8-4,5 milioni di basiappaiate, esso è diviso funzionalmente in segmenti,ciascuno dei quali determina una sequenza diaminoacidi e quindi la struttura di una proteina.Queste proteine, enzimi, componenti della
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Queste proteine, enzimi, componenti dellamembrana ecc. costituiscono le proprietà delmicrorganismo. Un segmento di DNAche determinaun prodotto funzionale è chiamatogene.Gli eventiattraverso i quali una sequenza di nucleotidi di ungene determina una proteina sono i seguenti:
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L’enzima RNApolimerasi, usando il DNAcome modello, forma una singola catenapoliribonucleotidica chiamata RNAmessaggero (mRNA). Questo processo è notocome trascrizione. Questo mRNA ha una
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come trascrizione. Questo mRNA ha unasequenza nucleotidica che è complementarecon una delle catene della doppia elica diDNA.
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Gli aminoacidi sono attivati enzimaticamente etrasferiti ad una molecola particolare di RNAchiamato RNAtransfer (tRNA). Questi tRNAhannouna struttura che presenta ad una estremità unatripletta di basi sul mRNA, ed all’altra estremità
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tripletta di basi sul mRNA, ed all’altra estremitàhanno legato l’aminoacido corrispondente. Latripletta posta sul mRNAsi chiama codon.
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mRNA ed il tRNA vanno insieme sullasuperficie del ribosoma. Il tRNAtrova latripletta complementare sul mRNA. Il
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tripletta complementare sul mRNA. Ilribosoma si muove sul mRNAe la sintesiprocede. Il processo è noto come traduzione.
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PLASMIDI
I plasmidi sono piccoli elementi di DNA circolare che si replicano autonomamente (replicon, fattori R, elementi genetici extracromosomici, geni aggiunti,
episomi, profagi non integrati). Codificano per
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episomi, profagi non integrati). Codificano per funzioni non indispensabili per la cellula, ma che
possono essere fondamentali in particolari ambienti.
Diffusione della resistenza agli antibiotici
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PLASMIDI
Elementi genetici extracromosomici DNA circolare, doppia elica replicazione autonoma ( da 1.5 a 400 Kb 1-1,5 Kb = 1 gene
http://www.microbiologia.unige.it/dpb/indexxx.htm
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( da 1.5 a 400 Kb 1-1,5 Kb = 1 gene
4500 Kb = cromosoma
1 Mdal = 1 milione dalt = 3 Kb
1ųm = 2 Mdal
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PLASMIDIClassificazione
FenotipoNumero di copiePeso molecolareFrammenti di restrizioneGruppo di compatibilità
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Gruppo di compatibilitàGenetico e biochimicoFattori R coniugativi e nonAmplificazione dei geniBatteriocine
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http://www.microbiologia.unige.it/dpb/indexxx.htm
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http://www.microbiologia.unige.it/dpb/indexxx.htm
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ENDOSPORE
Diversi microorganismi (gram+), quando lecondizioni ambientali diventano sfavorevoli,sono in grado di formare endospore (Bacillus,Clostridium, Sporosarcina ecc.) che poi sonoliberate nell’ambiente.
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liberate nell’ambiente.
La spora è una cellula in fase di riposo,altamente resistente al calore, all’essiccamento,e agenti chimici, quando le condizioni risultanonuovamente favorevoli la spora germina eproduce una cellula vegetativa.
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Sporulazione
La sporulazione comporta la produzione di nuovestrutture, enzimi e metaboliti. Circa 200 geni strutturalisono attivati durante il processo. Inizia con unainvaginazione della MC sino a racchiudere il nucleo. Laprespora si trova così racchiusa tra due membranecapaci di sintetizzare parete nella parte compresa traloro. La prima struttura che appare si chiama corteccia,
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loro. La prima struttura che appare si chiama corteccia,con internamente la parete della spora, all’esterno delledue membrane si costituisce la tunica sporale(mantello), ed oltre la tunica l’esosporio. Tutto richiedeuna gran quantità di calcio e sintesi di ac. dipicolinico.All’interno ove è contenuto il nucleo (core), gli enzimivegetativi sono degradati e rimpiazzati da costituentidella spora.
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STADI DI FORMAZIONE
DELL’ENDOSPORA
Stadio 0
Stadio 1Stadio 6
Stadio 7
Cellula vegetativa
Parete
Membrana citoplasmatica
DNA
Esosporio
CoreSpora libera
7-10h
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Stadio 2
Stadio 3 Stadio 4
Stadio 5Spora in via di sviluppo
Membranainterna della spora
Membrana esterna della spora
CoreNucleo centrale
Disidratazione
Esosporio
Corteccia iniziale
Strati corticali
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Proprietà
Core: contiene il nucleo, tutti icomponenti della sintesi proteica ed unsistema per generare energia basato sullaglicolisi. L’energia per la germinazione èconservata in 3-fosfoglicerato piuttosto
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conservata in 3-fosfoglicerato piuttostoche ATP. La resistenza è dovuta in parteallo stato disidratato e alla presenza nelcore di dipicolinato di calcio (intermedionella sintesi della lisina)
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Proprietà
Parete della spora
E’ lo strato più interno di parete che
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E’ lo strato più interno di parete checirconda la MI della spora, composta dipeptidoglicano (diventerà parete nellacellula quando germinerà)
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Proprietà
Cortex
E’ lo strato più spesso dell’involucrodella spora, contiene peptidoglicano ma
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della spora, contiene peptidoglicano macon meno legami crociati di quello usuale.Sensibile al lisozima, la sua autolisi èimportante durante la germinazione.
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Proprietà
Mantello
E’ composto da proteine di tipocheratinoso aventi molti legami disolfuro.
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cheratinoso aventi molti legami disolfuro.Impermeabile agli agenti chimici.
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Proprietà
Esosporio
Lipoproteina contenente alcuni
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Lipoproteina contenente alcuni carboidrati.
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Fisiologia della spora
Nessun consumo di O2
Attività enzimatiche assenti
Assenza di sintesi macromolecolari
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Resistenti agli UV e all’essiccazione
Termoresistenza: stabilità proteine(particolare stabilizzazione della struttura2aria e 3aria), Ca, acido dipicolinico → problemasterilizzazione
Possono sopravvivere per decine di anni
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GERMINAZIONE
Avviene in tre stadi: attivazione, iniziazione e crescita.AttivazioneAnche se posta in ambienti favorevoli la spora nongermina se non vi è danno al mantello: calore, abrasione,acidità e composti contenenti gruppi sulfidrici liberi.IniziazioneUna volta attivata la spora, la germinazione avviene secerti effettori sono legati (L-alanina, adenosina). Questo
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certi effettori sono legati (L-alanina, adenosina). Questomette in azione l’autolisina che degrada il cortex. E’assunta acqua, è liberato il dipicolinato di calcio e sonodegradati gli altri costituenti della spora.CrescitaSi osserva un rigonfiamento all’interno (core) e quindisintesi di nuova parete su quella già presente (parete dellaspora) con successiva divisione cellulare.
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Resistenza Inattivazione
DIFFERENZE PRINCIPALI TRA
ENDOSPORA E CELLULA ORIGINARIA
Morfologia e dimensioni
Composizione
Resistenza agenti chimici e fisici
Attività metaboliche
Batteri non sporigeni
80°C, 5-10 min
SporigeniC. botulinumC. tetaniClostridigangrenagassosa
Bollitura330 min90 min30 min
Vapor acqueo20 min, 121 °C,1 atmosferaCalore secco90 min, 170 °C