Definizione di Microbiologia La Microbiologia è la scienza che studia i microrganismi e la loro attività Ha per oggetto: lo studio della forma, della struttura, della fisiologia e del metabolismo dei microrganismi lo studio della loro distribuzione in natura le relazioni tra loro e gli altri esseri viventi, includendo gli effetti benefici e dannosi che hanno nel loro ambiente, ovvero sugli esseri umani, le piante e gli animali

Definizione di microrganismi Limite risoluzione occhio umano “microrganismo” deriva dal greco “micrós = piccolo” e da “organismo” = essere vivente Limite risoluzione occhio umano

I microrganismi……... ……..organismi viventi microscopici

Le caratteristiche dei sistemi viventi

...Le caratteristiche dei sistemi viventi

...Le caratteristiche dei sistemi viventi

Generazione spontanea o Biogenesi Aristotele (384-322 a.C.) pensava che gli animali potessero originarsi spontaneamente dalle piante e dal terreno. Fino al XVII secolo si pensava che gli organismi viventi potevano generarsi spontaneamente dalla materia in decomposizione. Francesco Redi (1626-1697) confutò la teoria della Biogenesi, conducendo esperimenti sulla carne in putrefazione. Antony van Leeuwenhoek (1632-1723) nel 1676 scoprì gli “animalcules” grazie al suo microscopio. Louis Pasteur (1822-1895) introduce l’uso dei recipienti con collo di cigno.

Antony van Leeuwenhoek

L’esperimento di Pasteur con la fiasca a collo di cigno Figure: 01-11a Caption: Pasteur’s experiment with the swan-necked flask. (a) Sterilizing the contents of the flask.

Figure: 01-11b Caption: Pasteur’s experiment with the swan-necked flask. (b) If the flask remained upright, no microbial growth occurred.

Figure: 01-11a Caption: Pasteur’s experiment with the swan-necked flask. (a) Sterilizing the contents of the flask.

Diversità microbica e Origine dei microrganismi

Dimensioni microrganismi e virus Diametro: da 2 a 200 m Diametro: da 0,1-0,2 a 50 m

Vengono classificati come microrganismi: i batteri gli archea le microalghe i funghi (muffe,lieviti) i protozoi Esistono due tipi differenti di cellule microbiche:. cellula procariotica (priva della membrana nucleare) cellula eucariotica (nucleo delimitato dalla membrana nucleare) i virus = particelle di dimensione microscopica “parassiti intracellulari obbligati”

CENNI STORICI Aristotele (IV sec. a.C.): sistema di classificazione secondo il quale gli organismi venivano suddivisi in due regni, animale e vegetale Carlo Linneo (1735): Systema Naturae: classificazione degli organismi in categorie (regno, classe, ordine, famiglia, genere, specie), che è tuttora utilizzata ma prevedeva ancora la suddivisione in due regni, animale e vegetale R.H. Whittaker (1959): classificazione degli organismi in 5 regni: Monera Protisti Funghi Piante Animali basata su 3 criteri: A- tipo di cellula (eucariote o procariote) B- organizzazione (uni- o pluricellulare) C- nutrizione (fotosintesi, assorbimento,ingestione)

EVOLUZIONE DEI SISTEMI DI CLASSIFICAZIONE DEGLI ORGANISMI VIVENTI.

Il primo albero filogenetico (1866)

Classificazione degli esseri viventi sulla base delle sequenze dell’RNA ribosomiale

Classificazione degli esseri viventi sulla base delle sequenze dell’RNA ribosomiale

Cellula procariotica ed eucariotica a) Cellula procariotica b) Cellula eucariotica

(trattamento con inchiostro di china) Capsula microbica (trattamento con inchiostro di china)

Strato S Strato proteico o glicoproteico con funzione:

Struttura dell’unità di peptidoglicano in Escherichia coli e molti altri batteri Gram-negativi

Parete batteri Gram-positivi/Gram negativi

Legame diretto tra catene peptidiche del peptidoglicano batteri Gram-negativi

M: mureina; OM: membrana esterna; PM: membrana citoplasmatica; P: spazio periplasmico; W: parete di peptidoglicano.

Parete batterio Gram-negativo Leucothrix mucor.

Gram positivi

Gram negativi Sebbene la principale funzione della membrana esterna sia ti tipo strutturale, una delle sue importanti proprietà biologiche è la tossicità per gli animali. Le proprietà tossiche dipendono da una porzione del LPS, e in particolare del lipide A di questi microrganismi. Per definire questo composto tossico viene normalmente usato il termine endotossina. Alcune endotossine possono causare gravi sintomi all'uomo come la febbre che è un sintomo generale dovuto alla stimolazione del rilascio di particolari proteine definite pirogeni endogeni che colpiscono i centri nervosi deputati al controllo della temperatura corporea. Inoltre possono indurre uno stato di infiammazione generalizzata che può indurre alla morte. Studi di frazionamento dell'LPS hanno dimostrato che: la frazione lipidica è responsabile della tossicità mentre la frazione polisaccaridica rende il complesso idrosolubile ed immunogenico. Per ottenere un effetto tossico in vivo sono richieste entrambi le componenti; (per controllare la presenza di endotossine nel siero, nel fluido cerebrospinale, nei solventi per le preparazioni farmaceutiche si usa il saggio di Limus). A differenza della membrana citoplasmatica, la membrana esterna dei batteri Gram-negativi, pur essendo essenzialmente un doppio strato fosfolipidico , è parzialmente permeabile a piccole molecole. Ciò avviene grazie alla presenza sulla membrana esterna di piccole proteine chiamate porine, che svolgono la funzione di canali permettendo l'entrata e l'uscita di sostanza idrofiliche, a bassa peso molecolare, attraverso la membrana. Sono state identificate numerose porine, sia specifiche che aspecifiche: le porine aspecifiche formano canali acquosi, attraverso i quali possono transitare piccole molecole di ogni tipo, mentre quelle che contengono uno specifico sito di legame per una o più sostanze strettamente correlate sono porine specifiche. Studi strutturali hanno dimostrato che la maggior parte delle porine sono proteine transmembrana e contengono tre subunità identiche. Esistono due tipi di porine molto importanti: OmpF e OmpC (outer membrane protein). Se la pressione osmotica è bassa viene sintetizzata OmpF, una porina dotata di un poro più ampio. Se la pressione osmotica è più elevata viene sintetizzata, invece, OmpC, una porina con un poro si dimensioni ridotte. Il regolatore è la proteina OmpR che quando viene fosforilata (OmpR-P) agisce come attivatore del gene ompC e repressore del gene ompF. Sebbene sia permeabile a piccole molecole, la membrana esterna è impermeabile a enzimi e a molecole di grandi dimensioni che vanno a localizzarsi in una regione chiamata periplasma. Questo spazio, situata tra la superficie esterna della membrana citoplasmatica e la superfici interni della membrana esterna, ha uno spessore di circa 12-15 nm e una consistenza gelatinosa., dovuta all'abbondanza di proteine periplasmatiche. A seconda dell'organismo, il periplasma può contenere parecchie proteine, tra cui enzimi idrolitici, che hanno la funzione di avviare la degradazione delle molecole nutritive, proteine di legame, che innescano i processi di trasporto dei substrati, e i chemiorecettori, proteine coinvolte nella risposta chemiotattica. Comunque molte di queste proteine raggiungono il periplasma tramite il sistema di trasporto SecYEG.

Colorazione di Gram Streptococcus spp E. coli

La parete cellulare degli Archaea Pseudomureina: NAG+ NAT =acido N-acetiltalosaminuronico legame -1,3 (non sensibile al lisozima) AA legame crociato Polisaccaridi, glicoproteine, proteine

Membrana citoplasmatica La struttura è costituita da un doppio strato di fosfolipidi costituisce l’8-15% del peso totale della cellula E’ una membrana semipermeabile e selettiva che regola il passaggio delle sostanze nutritive e dei prodotti di rifiuto E’ sede dei processi metabolici inerenti il trasporto di elettroni, la fosforilazione ossidativa, la fotosintesi ecc. Simile negli eucarioti (steroli) e nei batteri (opanoidi) diversa negli archea (idrocarburo ramificati, isoprene, che forma legami etere con il glicerolo)

Membrana citoplasmatica

a) Legame estere, b) legame etere, c) isoprene Figure: 04-19a-c Caption: Chemical bonds in lipids. (a) The ester linkage as found in the lipids of Bacteria and Eukarya. (b) The ether linkage of lipids from Archaea. (c) Isoprene, the parent structure of the hydrophobic side chains (R) of archaeal lipids. By contrast, in lipids of Bacteria and Eukarya, R are fatty acids. a) Legame estere, b) legame etere, c) isoprene

Membrana citoplasmatica

Membrana citoplasmatica Barriera di permeabilità – previene dispersioni e funziona come centro di transito per il trasporto di nutrienti da e verso la cellula Sito di ancoraggio – Ancora molte proteine coinvolte nel trasporto, nella bioenrgetica nella chemiotassi Conservazione dell’energia – siti di origine e utilizzazione della forza protonomotrice

I sistemi di trasporto passivo Acquaporine Canali ionici (K+ e Na+)

Le tre classi dei sistemi di trasporto attivo Controllato dall’energia associata alla forza protomotrice Modifiazione chimica della sostanza trasportatata, controllata dal fosfoenolpiruvato Coinvolge proteine periplasmatiche + ATP

Trasportatori transmembrana

Trasportatori transmembrana

Cellula procariotica ed eucariotica a) Cellula procariotica b) Cellula eucariotica

Nucleoide

DNA/RNA

DNA/RNA

Polimeri di riserva PHB Glicogeno ….

Magnetosomi Carbossisomi (batteri autotrofi) Clorosomi (batteri vedi ) Tilacoidi (cianobatteri) Vescicole gassose

L’ endospora batterica

Flagelli, pili e fimbrie

Flagelli (caratteri generali) I flagelli sono formati da tre parti: struttura basale, filamento ed uncino. Il filamento è costituito dalla proteina flagellina avvolta a spirale intorno ad un nucleo centrale cavo.

Flagelli, pili e fimbrie Flagelli: consentono la mobilità cellulare. Pili: sono appendici di fissazione, è noto che sono coinvolti nella coniugazione batterica. Fimbrie: molto simili a pili, la funzione non è nota ma si pensa siano legate all’adesione.

Flagelli (caratteri generali)

Flagelli (caratteri generali)

La membrana negli Archea Negli Archaea presente il legame etere catene idrocarburi ramificate (isoprene) monostrato lipidico

Funzioni delle strutture nei procarioti e negli eucarioti

Differenze tra cellula procariotica ed eucariotica batteri archea