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Microbiologia Cosa tratta la Microbiologia 1.Delle cellule viventi e di come esse lavorano 2.Dei microrganismi come organismi capaci di vita indipendente.

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1 Microbiologia Cosa tratta la Microbiologia 1.Delle cellule viventi e di come esse lavorano 2.Dei microrganismi come organismi capaci di vita indipendente 3.Della diversità microbica e della evoluzione; della insorgenza della diversità e del perché 4.Del cosa fanno i microrganismi nel mondo, nella società umana, nel nostro corpo, ed in quello di animali e piante 5.Del ruolo centrale che giocano i microrganismi nelle scienze biologiche di base 6.Del fatto che, capendo i microrganismi, possiamo capire meglio la biologia degli organismi superiori, includendo luomo 1

2 I microrganismi fanno girare il mondo!!! Nella biosfera la diversità maggiore si trova tra I microrganismi Le specie microbiche guidano la maggior parte dei cicli biologoci e geologici Microrganismi unicellulari presenti sulla terra > 90% Organismi multicellulari < 12% I microrganismi riescono a vivere traendo energia da ogni fonte e con ogni strategia Microcosmi microbici: o Grande diversità o Piccole dimensioni o Crescita rapida 2

3 3

4 La microbiologia ha un enorme impatto: in campo MEDICO, nellIMMUNOLOGIA, in AGRICOLTURA, in campo ALIMENTARE, nellECOLOGIA, nella GENETICA, ed in altri MILLE settori!! Applicazioni della microbiologia 4

5 - Microbiologia medica: si occupa di ricercare le principali cause delle malattie infettive che colpiscono uomini ed animali; pianifica le misure di eradicazione degli agenti causa di infezioni - Immunologia: studia il sistema immune che protegge il nostro corpo dai patogeni (i germi che causano le infezioni) 5

6 CONTROLLO DELLE MALATTIE INFETTIVE

7 MALATTIE INFETTIVE RECENTI……. A VOLTE RITORNANO!!!! 7

8 Microbiologia degli alimenti: - studia i microrganismi pericolosi che causano il deterioramento dei cibi e le malattie che si trasmettono mediante gli alimenti (tossinfezioni alimentari, es: salmonellosi, gastroenteriti). 8

9 Diversi esempi di malattie trasmesse da prodotti alimentari deteriorati 9

10 Microbiologia degli alimenti e casearia: Alcui esempi di microrganismi benefici usati nellindustria alimentare perché i prodotti della loro fermentazione costituiscono alcuni tra gli alimenti e le bevande più gradite agli uomini: Yougurt ( Lactobacillus lactis )…………. 10

11 Il PANE, la BIRRA e il VINO………. Saccharomyces cerevisiae è forse il lievito più importante e il suo utilizzo è noto fin dall'antichità per la panificazione e la produzione di birra e vino. 11

12 Microbiologia agraria: -studia limpatto dei microrganismi nellagricoltura; combatte le malattie delle piante che colpiscono intere coltivazioni. Un esempio - Bacillus thuringensis: batterio sporigeno, ossia dotato della capacità di proteggersi in una spora in condizioni sfavorevoli. Dopo l'ingestione di vegetali contaminati, il batterio sporula nell'ospite liberando le tossine (innocue per gli esseri umani) che danneggiano il tratto digerente delle larve di zanzare. -E impiegato per la creazione di piante transgeniche e nell'agricoltura biologica come insetticida. -In apicoltura è utilizzato nella lotta biologica alla tarma della cera d'api. 12

13 simbiosi mutualistica = associazione vantaggiosa tra le radici e le popolazioni microbiche, necessaria alla sopravvivenza di entrambe le componenti Leguminose + Rizobi (batteri azotofissatori) Altri microrganismi importanti in agricoltura: I legumi possiedono dei noduli dove vivono batteri del genere Rhizobia, che fissano lazoto in prodotti che la pianta usa per la sua crescita. 13

14 Microbiologia industriale: usa i microrganismi per ottenere da questi Streptomyces coelicolor - Prodotti di interesse medico quali antibiotici, vaccini, vitamine, aminoacidi. Un esempio Streptomyces coelicolor è la fonte di almeno due terzi degli antibiotici non sintetici presenti nel mondo. 14

15 Microbiologia industriale….altre applicazioni: Bonifica ambientale: Bonifica ambientale: detossificazione degli oli di scarto, dei solventi, dei pesticidi e di altre sostanze inquinanti, e loro trasformazione in sostanze innoque. Pseudomonas putida Un esempio: Pseudomonas putida è un batterio in grado di metabolizzare solventi organici. Produzione di energia: Produzione di energia: biomassa convertita in metano (gas naturale); etanolo; idrogeno (dal lievito Zymomonas ) 15

16 Biotecnologie: Microrganismi ingegnerizzati, cioè modificati, in grado di produrre ormoni, linsulina, antibiotici, vaccini ed altri prodotti utili alluomo. Inoltre, sono lo strumento necessario anche per lo studio delle malattie genetiche. 16

17 Microbiologia Studio dei microrganismi, un grande gruppo di organismi capaci di esistere come cellula singola o come gruppo di cellule (aggregazione) 17

18 Tutti gli organismi sono composti da cellule Tutte le cellule derivano da altri elementi cellulari (proteine, Ac.nucleici -DNA e RNA, lipidi, zuccheri ) 18

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22 Il ruolo dellinfinitamente piccolo è infinitamente grande! Louis Pasteur 22

23 E sempre un problema di dimensioni!!! 23

24 Organizzazioni cellulari Cellula procariotica (Procarioti) Cellula procariotica (Procarioti) Archeobatteri, Eubatteri Archeobatteri, Eubatteri Cellula eucariotica (Eucarioti) Cellula eucariotica (Eucarioti) Protisti, Funghi, Piante, Animali Protisti, Funghi, Piante, Animali Nucleo Sistema di membrane interne: compartimentazione citoplasma 24

25 La cellula dei procarioti Flagelli Flagelli Pili Pili Parete Parete Apparentemente semplice I batteri possono essere statici o muoversi nellambiente circostante per mezzo di particolari appendici distribuite sulla superficie cellulare. Per conferire forma e rigidità alla cellula i batteri possiedono un rivestimento (parete batterica) che ricopre la membrana plasmatica 25

26 La cellula dei procarioti Membrana plasmatica Membrana plasmatica Citoplasma Citoplasma Nucleoide Nucleoide Il citoplasma ha caratteristiche analoghe a quello degli altri organismi viventi e lo stesso vale per le reazioni biochimiche. Barriera selettiva, semipermeabile, simile a quella delle cellule animali e vegetali. Sprovvisti di un nucleo separato dal citoplasma per mezzo di membrana, e mancano anche di cromosomi morfologicamente identificabili: il cromosoma batterico è infatti un'unica molecola di DNA 26

27 La cellula dei procarioti Citoplasma Nucleoide Flagello Pili Ribosomi Parete cellulare 27

28 La membrana plasmatica doppio strato: molecole non covalentemente legate fluido bidimensionale La sua funzione non è solo quella di selezionare la direzione e lentità degli scambi con lesterno, ma è legata anche alla divisione cellulare e, nei batteri che producono ATP tramite la respirazione, è sede degli enzimi, dei vettori di idrogeno dei processi di fosforilazione ossidativa che nelle cellule eucariotiche si trovano nei mitocondri ATP La membrana cellulare si trova tra la parete e il citoplasma, ed è molto simile a quella delle cellule eucariotiche. parete citoplasma È costituita da un doppio strato di molecole lipidiche,che rappresenta la struttura portante, tra la quali sono inserite delle molecole proteiche, responsabili delle diverse funzioni della membrana; sono infatti enzimi catalizzatori, recettori di stimoli e ancora sono proteine di trasporto di sostanze attraverso la membrana. 28

29 Citoplasma Composizione: Composizione: - Cytosol - Particelle insolubili in sospensione > Cytosol: - solvente acquoso - soluti vari: ioni, micro e macromolecole 29

30 Rivestimenti esterni Capsula Capsula Membrana Esterna Membrana Esterna Parete cellulare Parete cellulare Membrana plasmatica Membrana plasmatica Caratterizzano i batteri 30

31 Funzioni della parete cellulare Involucro rigido al di sopra della membrana citoplasmatica Involucro rigido al di sopra della membrana citoplasmatica Anti lisi osmotica Anti lisi osmotica Forma (Bastoncini, cocchi, a virgola, a spirale) Forma (Bastoncini, cocchi, a virgola, a spirale) Caratteristiche tintoriali (Gram+ e Gram -) Caratteristiche tintoriali (Gram+ e Gram -) Virulenza e patogenicità Virulenza e patogenicità Costituisce il bersaglio di molti antibiotici Costituisce il bersaglio di molti antibiotici 31

32 Le diverse forme della cellula batterica Cocchi DiploCocchi StreptoCocchi Tetradi-Sarcine StafiloCocchi Bacilli DiploBacilli StreptoBacilli CoccoBacilli Vibrioni Spirilli Spirocheta Spiralati Sferici Bastoncelli Spiralati 32

33 Str. thermophilus Cocchi Staphylococcus epidermidis 33

34 Bacilli Bacillus anthracis 34

35 Spirilli - Spirocheta Spirocheta:Leptospira Spiranthes Rich. 35

36 Vibrioni Vibrio cholerae 36

37 Costituzione della parete batterica peptidoglicano Componente strutturale della parete: il peptidoglicano 1.singola macromolecula 2.lunghissimo polimero lineare, stabilizzato da fitti legami trasversi 3.avvolge la cellula, formando un astuccio rigido e resistente 4.determina la forma 5.impedisce il rigonfiamento 37

38 Organizzazione della parete batterica Organizzazione diversa della parete nei Gram positivi Gram positivi Gram negativi Gram negativi 38

39 Organizzazione della parete batterica Gram positivi Strato unico Strato unico Strato spesso di mureina con molti legami crociati Strato spesso di mureina con molti legami crociati – nel contesto proteine, ac teicoici, ac lipoteicoici Gram negativi Strato doppio Strato doppio Strato più sottile di mureina con meno legami crociati Strato più sottile di mureina con meno legami crociati al di sopra membrana esterna al di sopra membrana esterna – proteine, lipidi, lipoproteine, lipopolisaccaridi 39

40 Parete P: peptidoglicano; ME: membrana esterna; MC: membrana citoplasmatica. P P MC ME 40

41 Struttura del peptidoglicano Gram-positivi Gram-negativi Membrana esterna 41

42 Membrana Esterna – Polisaccaridi e fosfolipidi – Patogenicità – Solo nei Gram- 42

43 Capsula – Polisaccaridi o Polipeptidi – Adesione al substrato – Difesa (sistema immunitario, batteriofagi, disinfettanti chimici) – Protezione dalla disidratazione – Patogenicità ( Streptococcus pneumoniae ) ( Streptococcus pneumoniae ) 43

44 Capsula in Klebsiella pneumoniae 44

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47 La riproduzione dei procarioti Scissione binaria Scissione binaria – Scissione in 2 cellule uguali Gemmazione Gemmazione – Produzione cellule più piccole da una madre Ricombinazione genetica Ricombinazione genetica – Scambio di DNA tra 2 cellule diverse 47

48 La riproduzione dei batteri è asessuata e avviene mediante la divisione di un individuo in due cellule figlie uguali tra loro e identiche alla progenitrice e viene definito scissione binaria, processo molto simile, ma molto più semplice della mitosi cellulare, e comprende anche la riorganizzazione del citoplasma e la costituzione di nuove strutture cellulari. Questo processo si ripete, ogni divisione impiega circa 30 minuti, e la coltura batterica cresce. La scissione binaria, o in due parti, può essere identica alla mitosi cellulare o 48

49 Nucleoide Porzione del citoplasma dovePorzione del citoplasma dove si concentra il DNA si concentra il DNA DNA procariotico:DNA procariotico: Unica molecola circolareUnica molecola circolare Pochissime proteine legatePochissime proteine legate Attaccato alla MPAttaccato alla MP 49

50 cromosoma batterico plasmide Nei batteri il programma viene registrato su di una lunga molecola di DNA, chiusa ad anello cromosoma batterico Nella cellula batterica possono essere presenti altri piccoli anelli di DNA che portano poche informazioni -geni- i plasmidi I plasmidi possono passare da una cellula batterica a unaltra trasformazione batterica l l llllllllllllllllllllllllllllllllllllll Linformazione genica nei batteri 50

51 STRUTTURA del DNA 51

52 Come vengono classificati i batteri? 52

53 Chi sono? Come si nutrono? Cosa fanno? Dove vivono? Microrganismi Identikit Batteri Gram+ Gram - 53

54 Cosa fanno? 54

55 Una singola cellula è capace di: 55

56 56

57 Una suddivisione molto importante è quella che raggruppa i batteri secondo il livello di temperatura a cui possono crescere: si hanno così, per questa suddivisione, tre sottoclassi che sono i, i e i. Una suddivisione molto importante è quella che raggruppa i batteri secondo il livello di temperatura a cui possono crescere: si hanno così, per questa suddivisione, tre sottoclassi che sono i batteri psicrofili, i batteri mesofili e i batteri termofili.batteri psicrofili batteri mesofilibatteri termofili 57

58 Unulteriore classificazione è basata sulle diverse modalità di respirazione in base alle quali distinguiamo: 58

59 In relazione alla fonte di nutrimento (molecole altamente energetiche) i batteri vengono classificati in

60 Batteri autotrofi : sono gli organismi in grado di sintetizzare molecole biologiche ad alta energia a partire da molecole inorganiche a bassa energia. Batteri eterotrofi : sono gli organismi che per il proprio metabolismo utilizzano molecole organiche complesse sintetizzate dagli organismi autotrofi. 60

61 I batteri autotrofi sono organismi che al pari delle piante verdi sono in grado di sintetizzare i propri costituenti cellulari utilizzando sostanze inorganiche semplici. Tra questi vi sono i batteri fotosintetici ( utilizzano lenergia luminosa per produrre energia chimica utile per i processi vitali) e i chemiosintetici (utilizzano i composti inorganici per soddisfare il loro fabbisogno eneregetrico e sintetizzare i propri costituenti cellulari) 61

62 fotosintesi - anabolismo Metabolismo biosintetico: Costruzione da composti inorganici sintesi di sostanza organici, fotosintesi - anabolismo mineralizzazione - catabolismo Metabolismo energetico o catabolismo : Demolizione di sostanza organica ripristino dei composti inorganici mineralizzazione - catabolismo La sostanza vivente è soggetta a trasformazioni cicliche che costituiscono il METABOLISMO 62

63 Cosa fanno? Sono soprattutto impegnati nelle decomposizioni biologiche, attraverso le quali il carbonio immagazzinato negli organismi viventi viene ossidato a CO 2 I microrganismi sono in grado di fare quasi tutto, meglio dei biologi o dei chimici o di tutti! (Perlman, 1979) Sono responsabili delle trasformazioni biologiche nei cicli biogeochimici, nei quali viene messa in evidenza la biodiversità microbica Sono i fornitori ufficiali di sali minerali, azoto, vitamine, ormoni … per le piante, dalle quali ricevono zuccheri e aminoacidi 63

64 Dove vivono? OVUNQUE!!!!!! Si trovano in quasi tutti gli ambienti, aria, acqua, ghiaccio, sorgenti calde e perfino negli sbocchi idrotermali delle profondità oceaniche. Alcuni proliferano negli alimenti, mentre altri stabiliscono varie forme di simbiosi con piante, animali e altri organismi.simbiosi Il suolo stesso è un organismo vivente 64

65 Gli organismi viventi e l'ambiente sono legati tra loro in maniera inseparabile e interagiscono reciprocamente, in modo tale che un flusso di energia porta a una ben definita struttura trofica e ad una ciclizzazione degli elementi nutritivi. Organismi viventi e cicli degli elementi nutritivi 65

66 Produttori, consumatori e decompositori I batteri, come tutti gli organismi viventi, sono divisi in tre grandi gruppi: Produttori primari organismi fotosintetici, autotrofi Consumatori organismi eterotrofi Decompositori Solo microrganismi : batteri e funghi 66

67 Ciclo del carbonio Ciclo del carbonio Il carbonio è lelemento centrale nella struttura della materia vivente, ma è la CO 2 il composto chiave coinvolto nel ciclo. Esso viene restituito allambiente utilizzato ProduttoriConsumatoriDecompositori CO 2 prelevato I produttori assimilano la CO 2 e la forniscono a consumatori e decompositori. Lattività di fotosintesi globale è tale che la riserva dell'atmosfera si esaurirebbe in circa 20 anni I microrganismi decompositori compiono la mineralizzazione e sono altrettanto essenziali dei produttori primari perché rinnovano le riserve di CO 2 dell'atmosfera Ciclo della CO 2 nella biosfera 67

68 Il carbonio, elemento centrale nella struttura della materia vivente, viene attraverso funzioni diverse e meccanismi di trasferimento che interessano tutti i livelli trofici e lintera biosfera. utilizzato e Ciclo del carbonio prelevato come CO 2 restituito allambiente come CO 2 68

69 Ciclo dellazoto L'azoto è il nutriente più richiesto da tutti gli organismi viventi che lo assumono generalmente sotto forma di ammonio, nitrati e composti organici. Queste forme azotate sono piuttosto scarse nelle acque e nel terreno per cui l'azoto diviene spesso il fattore limitante nello sviluppo e nella crescita di tutti gli organismi viventi. 69

70 Il lato artistico... Dalla Biennale di Venezia, Padiglione francese, Nov …batteri, funghi e attinomiceti 70


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