Nutrizione dei batteri I batteri per accrescersi hanno

Nutrizione dei batteri I batteri per accrescersi hanno bisogno di: - una sorgente di Energia - di composti contenenti Carbonio - di composti contenenti Azoto - di Minerali

Sorgenti di energia I batteri necessitano per il loro metabolismo e per la loro crescita di energia: I batteri fototrofi utilizzano l’energia luminosa per la fotosintesi ( sintesi di ATP a partire da ADP e da fosfato inorganico) I batteri chemiotrofi traggono la loro energia dai legami chimici presenti in composti inorganici o organici( composti inorganici: batteri chemiolitòtrofi; composti organici: batteri chemiorganòtrofi) La grande maggioranza dei batteri di interesse medico sono chemiorganotrofi

Produzione di energia: biochimica nei batteri chemiorganotrofi (I°) • Le principali vie, attraverso cui i batteri chemiorganotrofi ottengono energia sono: la respirazione aerobica, la respirazione anaerobica, la fermentazione • La respirazione aerobica consiste nell’assunzione di composti organici(zuccheri, lipidi, protidi, . . )e nella completa ossidazione di essi sino ad anidride carbonica ed acqua. In una serie di tappe successive vengono a mano staccati gli atomi di carbonio della molecola organica ed eliminati come anidride carbonica. Gli atomi di idrogeno, invece, sono trasportati da particolari molecole(coenzimi), come il NAD, FAD, NADP, …, ad un complesso enzimatico che prende il nome di”catena respiratoria”. L’idrogeno, trasportato lungo la catena respiratoria, giunge fino all’ossigeno e si combina con esso per formare acqua. In diverse tappe di questo processo si ha liberazione di energia sufficiente a sintetizzare ATP, partendo da ADP e fosforo inorganico

Produzione di energia: biochimica nei batteri chemiorganotrofi (II°) • La respirazione anaerobica è un tipo di respirazione in l’accettore ultimo dell’idrogeno non è l’ossigeno ma un’altra molecola come NO 3 - o SO 4 L’E. coli, ad esempio, pur potendo trasferire idrogeno all’ossigeno, è in grado di utilizzare anche i nitrati (NO 3 -) come accettori, riducendoli a nitriti (NO 2 -). • La fermentazione è una via di degradazione in cui gli accettori finali dell’idrogeno sono ancora composti organici. Cioè mentre alla fine della respirazione aerobica l’idrogeno si combina con l’ossigeno per formare acqua, al termine di una fermentazione l’idrogeno si troverà in composti come acido lattico, alcool etilico, ….

Sorgenti di carbonio Il Carbonio è uno degli elementi più abbondanti del batterio. La più semplice fonte è l’anidride carbonica o CO 2 La CO 2 è la sorgente di carbonio per i batteri autotrofi I batteri eterotrofi utilizzano facoltativamente la CO 2. I batteri eterotrofi degradano una grande quantità di sostanze contenenti carbonio: alcool, acido acetico, acido lattico, polisaccaridi, …

Sorgenti di azoto I batteri hanno bisogno di sostanze azotate per sintetizzare le loro proteine. La provenienza di questo azoto può essere fatta per fissazione diretta dell’azoto atmosferico I batteri di interesse medico assumono con facilità i composti azotati presenti nei liquidi organici

Bisogno di minerali Oltre al carbonio e all’azoto sono necessari per la crescita batterica: lo zolfo, essenziale per i gruppi sulfidrilici delle proteine; il fosforo che è richiesto per la formazione dell’ATP, degli acidi nucleici, degli acidi teicoici, di alcuni enzimi, …. Sono richieste anche piccole quantità di di ferro costituente dei citocromi e di calcio che risulta di grande rilievo per i batteri sporigeni

Fattori ambientali La crescita dei batteri è influenzata da diverse condizioni chimico-fisiche, fra le quali in particolare: - l’ossigeno - la temperatura - il p. H - la pressione osmotica

Effetto dell’ossigeno Esistono diversi tipi di batteri in funzione del loro rapporto con l’ossigeno: • I batteri aerobi stretti si sviluppano solo in presenza di aria. La loro sorgente di energia è la respirazione. L’ossigeno molecolare, ultimo accettore di idrogeno è ridotto ad acqua ( Pseudomonas, acinetobacter, Neisseria). • I batteri microaerofili si sviluppano meglio o esclusivamente quando la pressione parziale dell’ossigeno è inferiore a quella dell’aria (Campylobacter) • I batteri aero-anaerobi facoltativi si sviluppano con o senza l’aria. E’ il caso della maggioranza dei batteri riscontrati in patologia medica: gli enterobatteri( Escherichia, Salmonella), gli Streptococchi, gli Stafilococchi. L’energia proviene dall’ossidazione di molecole come i nitrati e dalla fermentazione. • I batteri anaerobi stretti si sviluppano in assenza totale o quasi di ossigeno. Questi batteri muoiono in presenza di ossigeno. La totalità dell’energia è prodotta dalla fermentazione. E’ il caso dei batteri intestinali( Bacteroides, Fusobacterium, Clostridium) e di numerosi batteri presenti nella flora normale dell’organismo.

Effetto della temperatura A seconda degli intervalli di temperatura in cui possono crescere i batteri vengono distinti in tre gruppi: - termofili crescono ad elevate temperature (superiori a 55 °C) - mesofili crescono nell’intervallo medio di temperature ( da 20 a 45 °C) - psicrofili crescono bene a 0 °C

Effetti di p. H e di pressione osmotica • Riguardo all’effetto del p. H sulla crescita, i batteri si distinguono in: - neutrofili che si sviluppano a dei p. H compresi tra 5, 5 e 8, 5 con un optimum vicino a 7. La maggior parte dei batteri di interesse medico sono in questo gruppo. - alcalofili che preferiscono i p. H alcalini, come Pseudomonas e Vibrio - acidofili che crescono meglio in ambienti acidi, come i Lattobacilli • I batteri sono assai tolleranti alle variazioni delle concentrazioniche; in particolare alcune specie, come Stafilococchi e V. cholerae sono osmotolleranti

La crescita batterica • La crescita batterica può essere definita come il coordinamento di molti processi chimici e fisici che usualmente culminano nella divisione cellulare. • I batteri si moltiplicano per scissione binaria: raddoppiano tutte le strutture e, quindi, si dividono in due cellule figlie, che sono indistinguibili dalla cellula madre. La crescita batterica deve essere considerata da due punti di vista: - crescita di una singola cellula - crescita di una popolazione batterica

Crescita di una singola cellula e scissione binaria • Il ciclo cellulare: la cellula batterica, come le altre forme di vita, è soggetta ad un ciclo replicativo, controllato da varie sequenze enzimatiche, ed influenzato dai fattori ambientali. • Fasi: 1) Inizia, in un punto, la duplicazione del cromosoma: le due eliche complementari si separano e ciascuna di esse funge da stampo per la sintesi di una nuova elica 2) Ciascuno dei due cromosomi “figli” si ancora alla membrana citoplasmatica direttamente o ad un mesosoma 3) Si ingrandisce gradualmente il citoplasma e la membrana citoplasmtica; ciascuno dei due cromosomi viene attirato verso un polo della cellula e si forma nella zona centrale del batterio un setto parietale 4) Si attua la divisione in due cellule “figlie” in corrispondenza del setto parietale. In alcuni casi, una volta che si sia attuata la divisione, le cellule figlie possono rimanere unite per cause diverse, come ad esempio per la presenza di una capsula.

La crescita di una popolazione batterica Nella maggioranza delle condizioni di laboratorio i microbiologi non sono interessati ai dati chimici o fisici di una singola cellula batterica. Le acquisizioni sulle caratteristiche delle specie batteriche sono ottenute studiando popolazioni di microrganismi. • La curva di crescita di una popolazione batterica si studia utilizzando terreni liquidi 1)fase di latenza: i batteri non si dividono, ma incrementano il volume ( segue una breve fase di accelerazione, non riportata in grafico, con una moltiplicazione appena apprezzabile) T 2) Fase esponenziale: incremento notevole e rapido o r della moltiplicazione batterica( il numero delle b divisioni cellulari aumentano di dieci volte i nell’unità di tempo) d 3) Fase di decelerazione: la moltiplicazione si attua i ad un ritmo blando t à 4) Fase stazionaria: il numero delle cellule viventi rimane stazionaria, poichè il piccolo numero di cellule nuove è controbilanciato dal numero delle cellule che muiono Tempo 5) Fase di declino: i batteri vanno incontro alla morte progressivamente e quindi il numero delle cellule viventi a mano si avvicinerà allo zero •

Effetti di un ambiente sfavorevole Spore di Bacillus In situazioni sfavorevoli il batterio può adottare due tipi di strategie per la sia sopravvivenza: - Il batterio si differenzia in una forma metabolicamente inattiva, la spora, che ha una grande resistenza agli agenti fisici e chimici. E’ il caso del Bacillus. - Il batterio sviluppa dei sistemi di regolazione che economicizzano al massimo il proprio metabolismo. E’ il caso dell’E. coli che degrada l’RNA con liberazione di nucleotidi utilizzabili per nuovi RNA essenziali o come fonte di energia; degrada le proteine liberando aminoacidi utilizzabili per nuove proteine essenziali o come fonte di energia

Genetica batterica Genoma: è l’intero patrimonio in DNA di una cellula. Gene: è un segmento di DNA che contiene nella sequenza dei suoi nucleotidi l'informazione per un determinato carattere fenotipico. Un carattere fenotipico può essere il colore degli occhi osservato in un essere umano o la resistenza a un antibiotico osservata in un batterio. La base chimica per un cambiamento nel fenotipo è costituita da una variazione del genotipo, ovvero da una alterazione della sequenza del DNA dentro un gene o nella organizzazione dei geni.

Materiale genetico presente nella cellula batterica • Cromosoma batterico • Plasmidi • Elementi genetici trasponibili ( sequenze di inserzione e trasposoni) • DNA fagico

Cromosoma batterico e plasmidi: Repliconi Numerosi geni procariotici sono trasportati sul cromosoma batterico, un unico cromosoma a forma circolare. Molti batteri (sia Gram-positivi sia Gram-negativi) possiedono, in aggiunta al cromosoma, un numero sorprendentemente elevato di elementi genetici accessori denominati plasmidi. Un singolo batterio può contenere numerosi plasmidi differenti e di diversi dimensioni: in genere i plasmidi di maggiori dimensioni sono presenti in un'unica copia, mentre di quelli di dimensioni inferiori un batterio può contenere più copie dello stesso plasmide. I DNA circolari (cromosomi e plasmidi), che contengono le informazioni genetiche necessarie per la loro stessa replicazione, sono denominati repliconi.

Plasmidi • I Plasmidi sono formati da una molecola di DNA bicatenario a struttura circolare, di dimensioni, estremamente più piccole di quelle del cromosoma batterico. • possono considerarsi elementi genetici “estranei”; nell'ambito della stessa specie batterica, • possono integrarsi nel cromosoma in modo permanente o temporaneo (replicandosi ad ogni replicazione cromosomica) • possiedono una serie di geni che codificano i materiali necessari e sufficienti alla loro duplicazione ed alla loro ripartizione tra le cellule “figlie” al momento della divisione cellulare (trasmissione verticale). • Alcuni plasmidi denominati plasmidi coniugativi possiedono un set di geni (geni tra, da trasferimento) che sono in grado di promuovere il loro trasferimento in cellule diverse (trasmissione orizzontale) attraverso un ponte citoplasmatico. Utilità e funzione dei plasmidi per il batterio Le funzioni codificate dai plasmidi raramente sono indispensabili per la sopravvivenza. Molti plasmidi possiedono informazioni genetiche “accessorie” in grado di codificare prodotti utili a garantire la sopravvivenza del batterio in particolari situazioni e comprendono: • la produzione di tossine; • la produzione di pili ed altri tipi di adesine; • la produzione di enzimi in grado di conferire una resistenza nei confronti di diversi farmaci antibatterici; • la produzione di batteriocine (proteine“tossiche” in grado di uccidere altri batteri) ecc.

Trasposoni: Segmenti di DNA mobili in grado di traslocare nell’ambito della stessa cellula I trasposoni procariotici contengono tutti i geni necessari alla integrazione e alla escissione dal genoma; possono sia spostarsi tra posizioni diverse nel cromosoma batterico, sia integrarsi in un plasmide; non contengono informazioni genetiche necessarie per la loro propria replicazione, e pertanto la loro replicazione dipende dalla loro integrazione fisica con un replicone batterico. La specificità della sequenza nei confronti della sede di inserzione è piuttosto bassa, cosicché i trasposoni spesso sembrano inserirsi in maniera casuale. Poiché molte di queste inserzioni rompono dei geni, i transposoni sono spesso causa di mutazioni.

Gli “Elementi genetici trasponibili” batterici sono di due tipi : i “trasposoni semplici “denominati sequenze di inserzione, ed i “trasposoni complessi” denominati anche semplicemente trasposoni I transposoni semplici sono piccoli tratti di DNA che trasportano soltanto le informazioni necessarie per la loro migrazione da un locus genetico all'altro. Inoltre sono in grado di codificare esclusivamente le funzioni (enzimi, etc. ) necessarie alla inserzione di una loro copia in una nuova residenza genomica. I trasposoni complessi sono elementi genetici di maggiori dimensioni che sono fiancheggiati da sequenze di inserzione ad ogni estremo del segmento di DNA mentre la parte centrale o “core” del trasposone contiene una serie, anche numerosa, di geni che codificano numerosi prodotti e in particolare una serie di enzimi in grado di inattivare una serie di farmaci antibatterici. L'inserzione di un trasposone in un determinato episoma ( plasmide) può portare alla diffusione della sua informazione genetica ( ad esempio la resistenza ad un antibiotico) nell'ambito di una popolazione batterica.

Mutazioni • consistono in modificazioni della sequenza di basi in zone più o meno ampie del DNA • sono per la maggior parte conseguenza di “errori”, nella duplicazione del DNA ed avvengono quindi con una frequenza bassissima dati i numerosi meccanismi che assicurano un'elevata fedeltà dell'intero processo. • quando portino alla mancata produzione di uno o più prodotti indispensabili per la sopravvivenza della cellula sono letali. • sono spesso compatibili con la sopravvivenza del batterio e, nel loro insieme, forniscono alla popolazione batterica la possibilità di disporre di una sufficiente eterogeneità in, virtualmente, qualsiasi gene. • possono essere rappresentate da microlesioni, quando sia alterata una singola coppia di basi, o in macrolesioni quando la modificazione riguardi sequenze di maggiori dimensioni. • la frequenza di mutazione può essere incrementata nei batteri dalla presenza dì geni “mutatori” che probabilmente codificano una forma difettosa di DNApolimerasi o, come nelle cellule eucariotiche, dalla presenza ambientale di agenti “mutageni”.

TRASFERIMENTO INTERCELLULARE Il genoma batterico presenta, già nella singola cellula, una notevole “plasticità” che consente alla specie una notevole possibilità di evoluzione e di adattabilità. Questa possibilità è grandemente accresciuta da una serie di meccanismi di trasferimento intercellulare di materiale genetico cromosomico Nei batteri esistono tre meccanismi di trasferimento di materiale genetico cromosomico: • Alcuni batteri sono in grado di assumere DNA presente in forma solubile nell'ambiente, attraverso un processo che prende il nome di trasformazione. • Alcuni virus batterici (batteriofagi) possono trasferire occasionalmente geni batterici da una cellula ad un'altra, attraverso un processo denominato trasduzíone. • Infine, il trasferimento diretto di materiale genetico attraverso un contatto fisico tra cellule diverse è possibile attraverso il meccanismo denominato coniugazione.

Ricombinazioni geniche Nel batterio un qualunque processo che determina la sostituzione di un tratto del proprio cromosoma con un omologo tratto di DNA proveniente da un altro batterio prende il nome di “ricombinazione genica” - Endogenote è il DNA del batterio ricevente - Esogenote è il DNA della cellula donatrice

Trasformazione • Nella trasformazione un frammento di DNA proveniente da una cellula batterica morta penetra in una cellula batterica della stessa specie e si integra nel suo cromosoma, attraversando parete e membrana citoplasmatica. • Il batterio, così trasformato, da poco virulento può divenire un ceppo molto virulento: ad esempio uno Pneumococco, dapprima privo di capsula, diventa capsulato

Coniugazione (I) • Nella coniugazione la ricombinazione genica avviene con un meccanismo che ricorda la riproduzione sessuale. L’esogenote viene trasferito nella cellula ricevente per mezzo di un contatto diretto fra due cellule vive: un contatto stabilito da una particolare fimbria detta “pilo F” o di fertilità. • Nella cellula donatrice la presenza del pilo F è dovuta ad un plasmide detto “fattore F”

Coniugazione ( II ) • Nel momento della coniugazione se il fattore F è allo stadio di plasmide: nella cellula ricevente( F -) penetra solo il fattore F e nessun gene cromosomico della cellula donatrice(F+). [ la cellula F- diviene F+; la cellula F+ rimane tale perché possiede più di un fattore F ] • Se il fattore F è allo stadio di episoma, al momento della coniugazione la molecola circolare di DNA si apre nel punto di inserzione del fattore F; inizia la duplicazione del DNA e, delle due molecole neoformate, una resta nella cellula F+ mentre l’altra comincia a passare, attraverso il pilum F, nella cellula F-. Il trasferimento interessa dapprima il cromosoma batterico, e solo per ultimo passerebbe il fattore F; in realtà la coniugazione non dura così a lungo da permettere il passaggio dell’intera molecola di DNA e pertanto nella cellula F- penetra solo un tratto del cromosoma e quasi mai il fattore F. [la cellula F- rimane così quasi sempre F-; mentre tra i geni trasferiti nella cellula F- può aver luogo la ricombinazione]

Trasduzione • Consiste nel trasferimento di materiale genetico da una cellula batterica ad un’altra tramite l’ intervento di un batteriofago • La trasduzione può essere di due tipi: specializzata, che trasferisce solo i geni disposti all’estremità del fago; generalizzata, per mezzo della quale è possibile il trasferimento di qualunque gene batterico • Al trasferimento del materiale genetico può far seguito la ricombinazione; quando invece l’esogenote non si ricombina con l’endogenote si parla di trasduzione abortiva.

Conversione fagica • Comparsa di nuove caratteristiche fenotipiche nel batterio dovute alla presenza di un profago inserito nel DNA della cellula ospite • Esempi di conversione fenomeno di conversione fagica: produzione della tossina difterica da parte dei ceppi tossigeni di Corinebatteri; produzione della tossina eritrogenica nel caso dei ceppi tossigeni di “Streptococchi beta emolitici di gruppo A” responsabili della scarlattina.