Microbiologia farmacia
Microbiologia
Università degli Studi di Milano
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, MICROBIOLOGIA APPLICATA
CELLULE EUCARIOTE E PROCARIOTE
L’unità funzionale e strutturale fondamentale della materia vivente è la CELLULA: tutti gli
organismi sono costituiti da cellule, tranne i virus che hanno dimensioni molto ridotte quindi
visibili solo al microscopio elettronico.
Le cellule si dividono in eucariote, tipiche di animali e piante, e procariote. Le prime hanno
dimensioni maggiori e un DNA molto più lungo e complesso rispetto a quello delle cellule
procariote. Inoltre, le cellule eucarioti presentano un nucleo contenente il DNA organizzato in
cromosomi e alcuni organelli (mitocondri, cloroplasti, apparato del Golgi e reticolo
endoplasmatico). Altre differenze tra i due tipi di cellule sono: gli apparati per la replicazione del
DNA, per la trascrizione e per la traduzione, oltre che anche la membrana cellulare e la parete
cellulare (presente solo nelle piante e nei procarioti). Gli organismi eucarioti, inoltre, si dividono in
pluricellulari (animali e piante) e unicellulari (protozoi, funghi, alghe e muffe).
I PROCARIOTI sono costituiti da cellule strutturalmente semplici e hanno un cromosoma chiuso e
aggregato a formare una massa (NUCLEOIDE). A livello elementare ogni cellula procariote è
formata da carbonio (50% che deriva dai composti organici e dalla CO 2), ossigeno (20% che deriva
da composti organici, H2O e dalla CO2), azoto (14% che deriva da composti organici e dall’NH 3) e da
idrogeno (8% che deriva dai composti organici e dall’H 2O). A livello molecolare, invece, una cellula
procariote è costituita da grandi macromolecole (96%), monomeri e precursori (3%) e da ioni
inorganici (1%). Si dividono in due sottotipi: i batteri e gli archea, che condividono la stessa
struttura ma NON derivano da un progenitore comune quindi non costituiscono un gruppo
filogeneticamente omogeneo. Da un progenitore iniziale derivano i bacteria e un altro
progenitore, comune agli archea e agli eucarioti ma quindi non ai bacteria.
I BACTERIA, che si dividono in Gram negativi e Gram positivi, sono il gruppo più numeroso e
includono i procarioti più importanti dal punto di vista medico, mentre non si conoscono archea
patogeni. Essi possono avere forme diverse (cocchi, bastoncelli, spirilli…) e possono trovarsi isolati,
come aggregati multicellulari (colonie, miceli, biofilm…) o come aggregati di poche cellule (sarcine,
streptococchi). Poche specie vivono in ambienti estremi, a differenza degli ARCHEA, e nessuna
specie nota produce metano, per la maggior parte di produzione degli archea. I bacteria includono
inoltre tutte le specie che sono in grado di svolgere fotosintesi. Infine, tra archea e bacteria ci sono
alcune differenze molecolari (diversa composizione della membrana citoplasmatica, della parete e
degli apparati trascrizionali e traduzionali).
COSA E’ LA MICROBIOLOGIA APPLICATA
La MICROBIOLOGIA APPLICATA si occupa di organismi microscopici eucarioti e procarioti, ma
anche di virus. Cerca quindi di comprendere i fenomeni della vita e le applicazioni di questi
organismi a vantaggio dell’uomo o come difesa da altri microrganismi dannosi.
La microbiologia consapevole nasce solo dopo l’invenzione del microscopio ottico, a opera di van
Leeuwenhoek attorno alla fine del 1600 per osservare la composizione dei tessuti. Egli scopre così
l’esistenza di numerosissimi microrganismi di specie diverse che non sono visibili a occhio nudo.
Inizialmente viene introdotta la TEORIA DELLA GENERAZIONE SPONTANEA, seconda la quale i
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,microrganismi originano da materiale organico e che si basa su alcune osservazioni sperimentali
(del cibo lasciato all’aria per un certo tempo va incontro a putrefazione e risulta poi pieno di
batteri, larve e vermi quindi si pensa che si originassero da materia organica). Redi poi smantella
questa teoria per quanto riguarda gli organismi più grossi quando osserva che le larve di insetto
originano dalla carne solo quando le mosche vi depositano sopra le uova.
PASTEUR smantella definitivamente questa teoria verso la metà del 1800 quando svolge
l’esperimento delle fiasche a collo di cigno. Egli versa e poi scalda, in modo da sterilizzare, del
brodo non sterile all’interno delle fiasche a collo di cigno, fatte in questo modo perché facciano da
sorta di “barriera meccanica” affinché i microrganismi presenti nell’aria non contaminino il brodo
sterilizzato. Il liquido sterile viene poi messo a contatto con i microrganismi, che in poco tempo
crescono e lo contaminano: Pasteur capisce quindi che i microrganismi non derivano dal materiale
organico. Inoltre, smantella la credenza che la fermentazione di bevande alcoliche sia una
trasformazione chimica spontanea, accorgendosi che invece è causata proprio da specifici
microrganismi (lieviti). Egli scopre infatti che il vino diventa acido perché è contaminato da un
batterio lattico che trasforma lo zucchero in acido lattico invece che in alcol. La soluzione che trova
Pasteur è quella di riscaldare in modo selettivo il vino per uccidere il batterio lattico: questa
procedura oggi prende il suo nome e viene chiamata “pastorizzazione”. Infine, Pasteur si rende
anche conto che alcune malattie vengono causate da microrganismi, mentre altri microrganismi
“attenuati” possono essere utilizzati per vaccinare.
Un altro importante microbiologo medico è KOCH, che scopre due importanti batteri come agenti
eziologici, isola l’agente responsabile della tubercolosi e introduce il concetto di “coltura pura”,
originata da un solo tipo di batterio e che permette di studiare una particolare specie di batteri
separandola e isolandola dalle altre specie. Egli dimostra che una goccia di sangue infetto iniettato
in un individuo sano causa la contrazione della malattia. Nel 1881 Koch scrive i suoi 4 postulati:
1. L’agente causale deve essere presente in tutti i casi della malattia di cui è ritenuto
responsabile e deve essere assente negli individui sani;
2. L’agente causale deve essere isolato dall’individuo affetto e in coltura dare origine a una
popolazione cellulare omogenea;
3. L’inoculo di una coltura pura dell’agente causale in individui sani deve dar luogo alla
comparsa della malattia;
4. L’agente causale può essere riisolato dall’organismo infettato sperimentalmente.
Lo studio dei microrganismi presenti nell’ambiente permette la nascita della microbiologia
ambientale, che introduce il concetto di “coltura di arricchimento” per studiare la crescita di un
particolare ceppo rispetto ad altre specie controllando in maniera selettiva la composizione di
nutrienti e le condizioni di incubazione. Dunque questi terreni permettono la crescita di molti
diversi batteri in cui la probabilità e la densità iniziale dei batteri determinano quale popolazione
diviene dominante nella coltura. Successivamente, lo studio dei microrganismi permette anche il
passaggio dalla biologia di base a quella molecolare, che permette per esempio di scoprire che il
DNA è effettivamente il materiale ereditario: nel 1973 viene costruita in vitro la prima molecola di
DNA funzionante grazie ad alcuni enzimi di restrizione, utilizzati dai batteri per degradare del DNA
non appartenente al batterio stesso ma patogeno. Il codice genetico, l’RNA e la traduzione delle
proteine vengono poi scoperti e verificati grazie a numerosi esperimenti sul batterio escherichia
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, coli. A metà del 1900 quindi genetica e darwinismo entrano anche nel mondo dei batteri, grazie
alla scoperta di alcuni mutanti batterici. Alla fine degli anni ’70 viene completato per la prima volta
il sequenziamento del DNA, e poco dopo viene inventata, grazie allo studio del thermus
acquaticus, la tecnica della PCR per l’amplificazione di sequenze di DNA grazie a cicli di
denaturazione e rinaturazione con alcuni enzimi polimerasi termostabili. Tutto ciò permette di
giungere, nel 1995, al sequenziamento dell’intero genoma di un organismo.
MEMBRANA CITOPLASMATICA
STRUTTURA E COMPOSIZIONE
La struttura e la composizione della membrana citoplasmatica dei Batteri è molto simile a quella
degli eucarioti. È costituita dunque da un doppio strato di fosfolipidi, costituiti da una regione
idrofoba (due acidi grassi) e una idrofila (glicerolo fosfato) legate tra loro da un legame estere.
Nella membrana gli acidi grassi sono rivolti verso l’interno, mentre la parte idrofila è rivolta verso
l’esterno, creando un mosaico fluido in cui le proteine possono muoversi. Le proteine sono
integrali di membrana (cioè che attraversano entrambi gli strati fosfolipidici e costituite da α-
eliche) oppure periferiche (cioè legate a proteine integrali o direttamente alla membrana, come
nelle lipoproteine grazie a una coda lipidica che le ancora). A differenza delle cellule eucariote,
nella membrana citoplasmatica dei batteri non ci sono steroli che danno rigidità ma sono presenti
OPANOIDI.
La membrana citoplasmatica degli Archea può assumere due conformazioni differenti: DIETERI
(un legame eterico tra il glicerolo e 2 catene laterali idrofobiche costituite da unità ripetute di
isoprene, idrocarburo a 5 atomi di carbonio) oppure TETRAETERI DI DIGLICEROLO (un legame
eterico tra 2 glicerolo e 4 catene laterali isoprenoidi). Se la membrana è costituita da dieteri del
glicerolo si forma un doppio strato lipidico, se invece è costituita dai tetraeteri di diglicerolo si
forma un solo strato lipidico. Le membrane a monostrato sono molto resistenti a rottura
termica quindi sono presenti soprattutto negli Archea ipertermofili.
FUNZIONI
1. Fa da barriera di permeabilità, isolando quindi la cellula dall’ambiente extracellulare.
2. Controlla gli scambi con l’ambiente cellulare grazie alle proteine di membrana.
3. Accumula energia chimica ed elettrica e la trasforma in forza protonmotrice, che permette
funzioni quali la respirazione o la fotosintesi. Trasforma inoltre l’energia luminosa in energia
chimica (negli eucarioti ciò avviene sulle membrane interne dei cloroplasti) e la forza
protonmotrice in energia chimica (negli eucarioti ciò avviene nei mitocondri) o cinetica.
4. Trasmette segnali di variazioni ambientali ai sistemi metabolici, chemiotattici e genetici.
5. Secerne prodotti extracellulari e costituenti delle strutture extracitoplasmatiche.
TRASPORTO ATTRAVERSO LA MEMBRANA
Il trasporto PASSIVO avviene secondo gradiente di concentrazione e non richiede consumo di
energia. Questo si divide a sua volta in diffusione semplice o facilitata. Nella diffusione facilitata ci
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CELLULE EUCARIOTE E PROCARIOTE
L’unità funzionale e strutturale fondamentale della materia vivente è la CELLULA: tutti gli
organismi sono costituiti da cellule, tranne i virus che hanno dimensioni molto ridotte quindi
visibili solo al microscopio elettronico.
Le cellule si dividono in eucariote, tipiche di animali e piante, e procariote. Le prime hanno
dimensioni maggiori e un DNA molto più lungo e complesso rispetto a quello delle cellule
procariote. Inoltre, le cellule eucarioti presentano un nucleo contenente il DNA organizzato in
cromosomi e alcuni organelli (mitocondri, cloroplasti, apparato del Golgi e reticolo
endoplasmatico). Altre differenze tra i due tipi di cellule sono: gli apparati per la replicazione del
DNA, per la trascrizione e per la traduzione, oltre che anche la membrana cellulare e la parete
cellulare (presente solo nelle piante e nei procarioti). Gli organismi eucarioti, inoltre, si dividono in
pluricellulari (animali e piante) e unicellulari (protozoi, funghi, alghe e muffe).
I PROCARIOTI sono costituiti da cellule strutturalmente semplici e hanno un cromosoma chiuso e
aggregato a formare una massa (NUCLEOIDE). A livello elementare ogni cellula procariote è
formata da carbonio (50% che deriva dai composti organici e dalla CO 2), ossigeno (20% che deriva
da composti organici, H2O e dalla CO2), azoto (14% che deriva da composti organici e dall’NH 3) e da
idrogeno (8% che deriva dai composti organici e dall’H 2O). A livello molecolare, invece, una cellula
procariote è costituita da grandi macromolecole (96%), monomeri e precursori (3%) e da ioni
inorganici (1%). Si dividono in due sottotipi: i batteri e gli archea, che condividono la stessa
struttura ma NON derivano da un progenitore comune quindi non costituiscono un gruppo
filogeneticamente omogeneo. Da un progenitore iniziale derivano i bacteria e un altro
progenitore, comune agli archea e agli eucarioti ma quindi non ai bacteria.
I BACTERIA, che si dividono in Gram negativi e Gram positivi, sono il gruppo più numeroso e
includono i procarioti più importanti dal punto di vista medico, mentre non si conoscono archea
patogeni. Essi possono avere forme diverse (cocchi, bastoncelli, spirilli…) e possono trovarsi isolati,
come aggregati multicellulari (colonie, miceli, biofilm…) o come aggregati di poche cellule (sarcine,
streptococchi). Poche specie vivono in ambienti estremi, a differenza degli ARCHEA, e nessuna
specie nota produce metano, per la maggior parte di produzione degli archea. I bacteria includono
inoltre tutte le specie che sono in grado di svolgere fotosintesi. Infine, tra archea e bacteria ci sono
alcune differenze molecolari (diversa composizione della membrana citoplasmatica, della parete e
degli apparati trascrizionali e traduzionali).
COSA E’ LA MICROBIOLOGIA APPLICATA
La MICROBIOLOGIA APPLICATA si occupa di organismi microscopici eucarioti e procarioti, ma
anche di virus. Cerca quindi di comprendere i fenomeni della vita e le applicazioni di questi
organismi a vantaggio dell’uomo o come difesa da altri microrganismi dannosi.
La microbiologia consapevole nasce solo dopo l’invenzione del microscopio ottico, a opera di van
Leeuwenhoek attorno alla fine del 1600 per osservare la composizione dei tessuti. Egli scopre così
l’esistenza di numerosissimi microrganismi di specie diverse che non sono visibili a occhio nudo.
Inizialmente viene introdotta la TEORIA DELLA GENERAZIONE SPONTANEA, seconda la quale i
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(del cibo lasciato all’aria per un certo tempo va incontro a putrefazione e risulta poi pieno di
batteri, larve e vermi quindi si pensa che si originassero da materia organica). Redi poi smantella
questa teoria per quanto riguarda gli organismi più grossi quando osserva che le larve di insetto
originano dalla carne solo quando le mosche vi depositano sopra le uova.
PASTEUR smantella definitivamente questa teoria verso la metà del 1800 quando svolge
l’esperimento delle fiasche a collo di cigno. Egli versa e poi scalda, in modo da sterilizzare, del
brodo non sterile all’interno delle fiasche a collo di cigno, fatte in questo modo perché facciano da
sorta di “barriera meccanica” affinché i microrganismi presenti nell’aria non contaminino il brodo
sterilizzato. Il liquido sterile viene poi messo a contatto con i microrganismi, che in poco tempo
crescono e lo contaminano: Pasteur capisce quindi che i microrganismi non derivano dal materiale
organico. Inoltre, smantella la credenza che la fermentazione di bevande alcoliche sia una
trasformazione chimica spontanea, accorgendosi che invece è causata proprio da specifici
microrganismi (lieviti). Egli scopre infatti che il vino diventa acido perché è contaminato da un
batterio lattico che trasforma lo zucchero in acido lattico invece che in alcol. La soluzione che trova
Pasteur è quella di riscaldare in modo selettivo il vino per uccidere il batterio lattico: questa
procedura oggi prende il suo nome e viene chiamata “pastorizzazione”. Infine, Pasteur si rende
anche conto che alcune malattie vengono causate da microrganismi, mentre altri microrganismi
“attenuati” possono essere utilizzati per vaccinare.
Un altro importante microbiologo medico è KOCH, che scopre due importanti batteri come agenti
eziologici, isola l’agente responsabile della tubercolosi e introduce il concetto di “coltura pura”,
originata da un solo tipo di batterio e che permette di studiare una particolare specie di batteri
separandola e isolandola dalle altre specie. Egli dimostra che una goccia di sangue infetto iniettato
in un individuo sano causa la contrazione della malattia. Nel 1881 Koch scrive i suoi 4 postulati:
1. L’agente causale deve essere presente in tutti i casi della malattia di cui è ritenuto
responsabile e deve essere assente negli individui sani;
2. L’agente causale deve essere isolato dall’individuo affetto e in coltura dare origine a una
popolazione cellulare omogenea;
3. L’inoculo di una coltura pura dell’agente causale in individui sani deve dar luogo alla
comparsa della malattia;
4. L’agente causale può essere riisolato dall’organismo infettato sperimentalmente.
Lo studio dei microrganismi presenti nell’ambiente permette la nascita della microbiologia
ambientale, che introduce il concetto di “coltura di arricchimento” per studiare la crescita di un
particolare ceppo rispetto ad altre specie controllando in maniera selettiva la composizione di
nutrienti e le condizioni di incubazione. Dunque questi terreni permettono la crescita di molti
diversi batteri in cui la probabilità e la densità iniziale dei batteri determinano quale popolazione
diviene dominante nella coltura. Successivamente, lo studio dei microrganismi permette anche il
passaggio dalla biologia di base a quella molecolare, che permette per esempio di scoprire che il
DNA è effettivamente il materiale ereditario: nel 1973 viene costruita in vitro la prima molecola di
DNA funzionante grazie ad alcuni enzimi di restrizione, utilizzati dai batteri per degradare del DNA
non appartenente al batterio stesso ma patogeno. Il codice genetico, l’RNA e la traduzione delle
proteine vengono poi scoperti e verificati grazie a numerosi esperimenti sul batterio escherichia
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, coli. A metà del 1900 quindi genetica e darwinismo entrano anche nel mondo dei batteri, grazie
alla scoperta di alcuni mutanti batterici. Alla fine degli anni ’70 viene completato per la prima volta
il sequenziamento del DNA, e poco dopo viene inventata, grazie allo studio del thermus
acquaticus, la tecnica della PCR per l’amplificazione di sequenze di DNA grazie a cicli di
denaturazione e rinaturazione con alcuni enzimi polimerasi termostabili. Tutto ciò permette di
giungere, nel 1995, al sequenziamento dell’intero genoma di un organismo.
MEMBRANA CITOPLASMATICA
STRUTTURA E COMPOSIZIONE
La struttura e la composizione della membrana citoplasmatica dei Batteri è molto simile a quella
degli eucarioti. È costituita dunque da un doppio strato di fosfolipidi, costituiti da una regione
idrofoba (due acidi grassi) e una idrofila (glicerolo fosfato) legate tra loro da un legame estere.
Nella membrana gli acidi grassi sono rivolti verso l’interno, mentre la parte idrofila è rivolta verso
l’esterno, creando un mosaico fluido in cui le proteine possono muoversi. Le proteine sono
integrali di membrana (cioè che attraversano entrambi gli strati fosfolipidici e costituite da α-
eliche) oppure periferiche (cioè legate a proteine integrali o direttamente alla membrana, come
nelle lipoproteine grazie a una coda lipidica che le ancora). A differenza delle cellule eucariote,
nella membrana citoplasmatica dei batteri non ci sono steroli che danno rigidità ma sono presenti
OPANOIDI.
La membrana citoplasmatica degli Archea può assumere due conformazioni differenti: DIETERI
(un legame eterico tra il glicerolo e 2 catene laterali idrofobiche costituite da unità ripetute di
isoprene, idrocarburo a 5 atomi di carbonio) oppure TETRAETERI DI DIGLICEROLO (un legame
eterico tra 2 glicerolo e 4 catene laterali isoprenoidi). Se la membrana è costituita da dieteri del
glicerolo si forma un doppio strato lipidico, se invece è costituita dai tetraeteri di diglicerolo si
forma un solo strato lipidico. Le membrane a monostrato sono molto resistenti a rottura
termica quindi sono presenti soprattutto negli Archea ipertermofili.
FUNZIONI
1. Fa da barriera di permeabilità, isolando quindi la cellula dall’ambiente extracellulare.
2. Controlla gli scambi con l’ambiente cellulare grazie alle proteine di membrana.
3. Accumula energia chimica ed elettrica e la trasforma in forza protonmotrice, che permette
funzioni quali la respirazione o la fotosintesi. Trasforma inoltre l’energia luminosa in energia
chimica (negli eucarioti ciò avviene sulle membrane interne dei cloroplasti) e la forza
protonmotrice in energia chimica (negli eucarioti ciò avviene nei mitocondri) o cinetica.
4. Trasmette segnali di variazioni ambientali ai sistemi metabolici, chemiotattici e genetici.
5. Secerne prodotti extracellulari e costituenti delle strutture extracitoplasmatiche.
TRASPORTO ATTRAVERSO LA MEMBRANA
Il trasporto PASSIVO avviene secondo gradiente di concentrazione e non richiede consumo di
energia. Questo si divide a sua volta in diffusione semplice o facilitata. Nella diffusione facilitata ci
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