Riproduzione batterica (PDF)

Riproduzione batterica Produzione di spore  Riproduzione batterica I batteri si riproducono per via asessuata: divisione binaria, una cellula madre si divide formando due cellule perfettamente uguali tra loro Il patrimonio genetico si duplica e viene egualm...

Riproduzione batterica Produzione di spore  Riproduzione batterica I batteri si riproducono per via asessuata: divisione binaria, una cellula madre si divide formando due cellule perfettamente uguali tra loro Il patrimonio genetico si duplica e viene egualmente ripartito Replicazione Il materiale genetico dei batteri (DNA) è organizzato in un’unica molecola di forma circolare. Il processo di duplicazione ha inizio Il cromosoma batterico rimane circolare durante la replicazione. La replicazione inizia da un’origine, prosegue nelle 2 direzioni (2 da un punto di origine (OriC) forche replicative), termina quando le forche si incontrano: intermedi a forma di “theta” θ L’ancoraggio del DNA alla membrana citoplasmatica trascina ciascun cromosoma “figlio” in una nuova cellula La replicazione cellulare richiede l’estensione della parete, la replicazione del cromosoma e la formazione del setto https://www.jove.com/science-education/10788/replication-in-prokaryotes  Fasi della riproduzione batterica Il legame del cromosoma a un particolare sito della membrana plasmatica indica che il batterio è prossimo alla divisione 1 Accrescimento e duplicazione del DNA La cellula si prepara per la scissione binaria ingrandendo la propria parete cellulare, la membrana plasmatica e il volume. La cellula si allunga e avviene la duplicazione del DNA 2 1 Allontanamento delle strutture cromosomiche La duplicazione del DNA ha prodotto due cromosomi identici ancorati ciascuno separatamente alla membrana. Continuando l’accrescimento della cellula i cromosomi si distanziano sempre di più. La membrana plasmatica e la parete cellulare iniziano ad introflettersi verso il centro della cellula 2 3 Separazione delle cellule figlie La separazione è causata dalla formazione di un setto che parte dalla membrana e si approfonda nel citoplasma in direzione centripeta 3 4 Distacco delle cellule All’interno del setto di membrana si forma un setto di parete permettendo il 4 definitivo distacco delle cellule. Le cellule neoformate possono rimanere unite Mader. Immagini e concetti della biologia. Zanichelli in aggruppamenti spaziali caratteristici https://www.jove.com/science-education/10759/binary-fission  La spora batterica “… le spore sono cellule sane minacciate dalla fame …” (G. Knaysi) Alcuni batteri Gram-positivi come Bacillus spp. (bacilli aerobi) e Clostridium spp. (bacilli anaerobi) sono capaci, in condizioni ambientali sfavorevoli, di sviluppare una forma di resistenza, metabolicamente inattiva, la SPORA, contenente acido dipicolinico. La produzione della spora non è una modalità di riproduzione batterica (1 cellula 1 spora), ma può essere considerata una particolare espressione della capacità di adattamento all’ambiente “to die today but live again someday” Fotografia al M.E. di Clostridium tetani Esempi di disposizione dell’endospora a) spora centrale; b) spora subterminale; c) spora terminale d) spora terminale con rigonfiamento dello sporangio  Struttura della spora batterica Esosporio: di natura fosfolipoproteica simile alla membrana citoplasmatica Mantello Corteccia residuo dello sporangio Mantello (coat): distinto in tunica interna ed esterna, ricco di proteine con legami disulfidrilici, lipidi ed una piccola porzione di peptidoglicano → Resistenza alle riadiazioni UV, calore e penatrazione delle sostanze estranee Corteccia: formata essenzialmente da peptidoglicani non identici a quelli della Parete forma vegetativa (tracce di dipicolinato di calcio) → Impermeabilità, resistenza a essiccamento, invecchiamento, calore, sostanze chimiche, antibiotici, Esosporio Cellula sporale disinfettanti, ecc. Parete rudimentale: costituita essenzialmente da peptidoglicano, simile a quella della cellula vegetativa Core Cellula sporale: costituita da membrana citoplasmatica, nucleoide, citoplasma con scarsissima componente acquosa (metabolismo assente o rallentato), proteine SASP (Small Acid Soluble Proteins), dipicolinato di calcio (15% in peso) → Resistenza a invecchiamento, essiccamento, riadiazioni UV, calore Acido dipicolinico Dipicolinato di calcio: principale determinante della resistenza al calore, presente solo nella spora. Il Ca2+ si pone a ponte tra le varie molecole di DPA, formando complessi in grado di stabilizzare le strutture sporali  Spora e sporogenesi Durata: 1-6 ore Formazione del filamento assiale: DNA si dispone a sbarra dopo replicazione  Germinazione della spora Fotografia al ME di esocrescita sporale È il processo reversibile inverso alla sporogenesi, si svolge mediamente in 90 minuti in condizioni favorevoli, in fasi distinte e sequenziali: 1. Attivazione, inizio (formazione di soluzioni di continuo negli involucri): presenza di acqua, fattori nutrizionali ed una certa temperatura (stimoli chimico-fisici come sollecitazione meccanica, variazioni di pH, calore o altri fattori) 2. Rigonfiamento, germinazione: rottura degli involucri, rilascio di dipicolinato e calcio, idratazione, aumentata attività metabolica 3. Esocrescita, divisione: fuoriuscita della cellula vegetativa dagli involucri sporali degradati e inizio della divisione cellulare L’azione patogena dei batteri: invasività, tossigenicità  Patogenicità Capacità di un microrganismo di provocare malattia attraverso la sua invasività e/o tossigenicità. La patogenicità è legata a caratteristiche sia del microrganismo sia dell’ospite sensibile DIFFUSIONE Invasività Capacità del microrganismo di moltiplicarsi nell'ospite, grazie al possesso di fattori di colonizzazione (adesine) e di diffusione (invasine) Tossigenicità Capacità del microrganismo di produrre sostanze tossiche (eso- o endotossine), che agiscono anche a distanza dal punto di infezione Batteri patogeni possono avere l'uno o l'altro o entrambi i meccanismi (invasività e/o tossigenicità) espressi in vario modo  Virulenza Grado della patogenicità. In base a fattori di invasività e/o tossigenicità che possono essere presenti o meno in un microrganismo patogeno avremo ceppi più o meno virulenti La virulenza è misurata in termini di numero di microrganismi o microgrammi di una determinata sostanza in grado di uccidere l'ospite In genere si esprime come LD50 cioè la dose letale che uccide il 50% delle cavie (es. CFU/ml) In conseguenza dell’infezione con un ceppo virulento, assisteremo allo sviluppo di malattia causata anche da batteri in numero piuttosto limitato Confronto del livello di virulenza di Streptococcus pneumoniae e di Salmonella typhimurium in un modello murino d’infezione Antonelli et al. Principi di Microbiologia Medica. CEA  Meccanismi di patogenicità dei batteri Adesività Legame specifico o aspecifico tra alcune strutture superficiali del microrganismo e determinati siti recettoriali delle cellule dell’ospite (pili o fimbrie, proteine di adesione, …) Produzione di enzimi Enzimi in grado di favorire la penetrazione dei microrganismi extracellulari attraverso la demolizione dei tessuti parassitati (collagenasi, ialuronidasi, …) Elusione del Strutture cellulari o sostanze microbiche secrete che inibiscono sistema la fagocitosi o consentono di sopravvivere e/o moltiplicarsi immunitario all’interno delle cellule fagocitarie; inattivazione degli anticorpi Produzione di Tossine che causano danni tessutali, a volte mortali, nell’uomo e sostanze tossiche negli animali  Fattori di patogenicità: tossine batteriche Sono veleni batterici responsabili della sintomatologia morbosa, del danno provocato all’organismo ospite nelle varie infezioni batteriche Endotossine Costituenti lipopolissacaridici della parete cellulare (lipide A della membrana esterna), liberate alla morte (lisi) del batterio Esotossine Di natura proteica; prodotti esocellulari generati (generalmente) durante la fase esponenziale di crescita; spesso secrete all’esterno e principali responsabili della malattia o della sua gravità (es. tetano, difterite, botulismo, colera)  Endotossine Esclusive dei batteri Gram-negativi, sono rappresentate dal lipolisaccaride (LPS, di cui il Lipide A rappresenta la porzione tossica) della membrana esterna Termostabili, sono scarsamente immunogene, si liberano per lisi della cellula batterica ed hanno effetto pirogeno (inducono la febbre) Stimolano la produzione di TNF ed interleuchina-1, che in elevate concentrazioni causano aumento della permeabilità vascolare, vasodilatazione, ipotensione e shock emodinamico (shock tossico) Carlone et al. Microbiologia Farmaceutica. EdiSES  Esotossine Tipiche dei batteri Gram-positivi, ma prodotte anche da alcuni Gram- negativi, sono di natura proteica, generalmente termolabili e con uno spiccato potere immunogeno Possono avere struttura monomerica o dimerica. Queste ultime sono distinte in due peptidi (A e B), legati da ponti disulfurici, dove A è il peptide con attività tossica, generalmente enzimatica, e B è quello che si lega a specifici recettori della cellula bersaglio La loro produzione può essere sotto: controllo cromosomico (es. tossina Shiga di Shigella dysenteriae) controllo plasmidico (es. plasmidi ENT in ceppi enteropatogeni di Escherichia coli, tossina epidermolitica di Staphylococcus aureus) controllo fagico: conversione lisogena (es. tossina difterica, tossina eritrogenica di Streptococcus pyogenes) Attività enzimatica intracellulare Harvey et al. Le basi della microbiologia. Zanichelli Classificazione in base al meccanismo di azione Esotossine che agiscono a livello delle strutture della superficie cellulare Tossina α di Staphylococcus aureus Esotossine che agiscono sul contenuto intracellulare di AMP ciclico (cAMP) Tossina colerica e pertossica Esotossine che agiscono inibendo la sintesi proteica cellulare Tossina difterica Esotossine che agiscono come superantigeni Superantigene di Streptococcus pyogenes Esotossine che agiscono interferendo con il rilascio di neurotrasmettitori Tossina tetanica e botulinica Esotossine interferenti con il rilascio di neurotrasmettitori Interferiscono con i meccanismi di trasmissione dell’impulso nervoso e provocano la morte in seguito all’instaurarsi di una paralisi: tossina botulinica, impedisce il rilascio di acetilcolina dalle sinapsi colinergiche periferiche (botulismo, paralisi flaccida) tossina tetanica, blocca il rilascio dei neurotrasmettitori (GABA) a livello inibitorio della contrazione muscolare (tetano, paralisi spastica) Murray et al. Microbiologia. EdiSES ELEMENTI DI MICOLOGIA Caratteristiche generali dei funghi L’azione patogena dei miceti Classificazione delle micosi Caratteristiche generali dei funghi  Miceti o funghi Caratteristiche generali: Sono organismi eucarioti eterotrofi (saprofiti, parassiti o simbionti) Sono aerobi o anaerobi facoltativi Posseggono una parete cellulare rigida contenente chitina La membrana citoplasmatica contiene steroli (ergosterolo o zimosterolo) Muffa (pluricellulare) Nucleo aploide o diploide Si riproducono mediante spore o conidi (riproduzione sessuata o asessuata) Di solito sono immobili (solo le zoospore di alcuni gameti presentano flagelli) Possono essere unicellulari (lieviti) o Lievito pluricellulari (muffe) (unicellulare) Carlone et al. Microbiologia Farmaceutica. EdiSES  Parete cellulare fungina Lo strato intermedio fibrillare della parete è costituito da glucani (residui di glucosio legati mediante ponti β-1,3 e/o β-1,6) e da chitina (residui di N-acetilglucosammina legati tra loro mediante ponti β-1,4) La chitina è legata covalentemente al glucano con conformazione β-1,4 Un tipico componente polisaccaridico dello strato esterno della parete sono i mannani (polimeri del mannosio) I mannani si complessano con le proteine e svolgono importanti funzioni (adesione, antigeni, immunomodulazione) oltre a contribuire alla rigidità della parete  Morfologia dei lieviti Miceti unicellulari non filamentosi (diametro 3-5 μm) Posseggono la tipica struttura della cellula eucariote Il nucleo contiene cromosomi multipli ed è delimitato da una membrana Sono presenti organuli citoplasmatici (mitocondri, reticolo endoplasmatico, ecc.) Hanno una spessa parete cellulare Microscopia elettronica a trasmissione: CW, parete cellulare; N, nucleo; m, mitocondrio. Barra 0,5 µm ↑ Cicatrici di gemmazione: il punto in cui si stacca una cellula figlia. Sono strutture tipiche dei lieviti  La capsula Struttura non costante, polisaccaridica; presente in alcuni lieviti patogeni In Cryptococcus neoformans costituita da galatto-xilomannano e glicuron-xilomannano Cryptococcus neoformans in liquido cerebrospinale da un paziente con meningite criptococcica (alone luminoso = capsula)  Morfologia dei funghi filamentosi (muffe) Miceti pluricellulari filamentosi Cellule di ife fungine 1. Parete cellulare 2. Setto 3. Mitocondri 4. Vacuolo 5. Cristallo di ergosterolo 6. Ribosoma 7. Nucleo 8. Reticolo endoplasmatico 9. Corpo lipidico 10. Membrana plasmatica 11. Spitzenkorper/punta di crescita e vescicole 12. Apparato di Golgi La cellula fungina miceliale ha un aspetto cilindrico si accresce apicalmente (ad un solo apice) e si ramifica formando una struttura filamentosa ramificata tubulare detta ifa (diametro medio: 2-10 m) via via che si sviluppa una colonia o tallo, le ife formano una massa di filamenti intrecciati detta micelio Le ife sono suddivise da setti parietali https://www.jove.com/science-education/10030/filamentous-fungi  Microscopia elettronica a trasmissione Le ife si distinguono in: settate, mononucleate (Ism) settate plurinucleate (Isp) cenocitiche (Ic) Nel micelio dei miceti filamentosi si distinguono due parti: micelio aereo (Ma): funzione riproduttiva micelio vegetativo (Mvi): funzione nutritiva  Produzione di pseudomicelio e di micelio nei lieviti In Candida albicans le blastocellule possono produrre un tubulo germinativo che si accresce all’apice formando vere Produzione di ife settate micelio Quando le blastocellule vanno incontro a gemmazioni successive senza distacco Produzione di delle cellule figlie dalla cellula madre pseudomicelio possono formare pseudoife Candida albicans  Il dimorfismo fungino (termico) Il dimorfismo fungino (termico) può essere definito come la capacità (reversibile) che alcuni miceti hanno di presentarsi nella fase vegetativa o saprofitaria o ambientale (o in vitro a 25°C e su terreni poveri) generalmente nella forma miceliale e nella fase parassitaria, o tessutale o infettiva (o in vitro a 37°C e su terreni ricchi) generalmente nella forma di lievito Histoplasma Blastomyces Talaromyces Coccidioides immitis e Paracoccidioides Sporothrix capsulatum dermatitidis marneffei Coccidioides posadasii brasiliensis schenckii a b a: morfologia in vitro a 25°C o nella fase saprofitaria ambientale b: morfologia in vitro a 37°C o nella fase parassitaria tessutale FEMS Microbiol Rev, 2015, 39, 797-811  Riproduzione asessuata Lieviti Funghi filamentosi Gemmazione o Produzione di diversi tipi di conidi (le ife produttrici blastogonia sono dette conidiogene) attraverso complesse modalità di conidiogenesi o in strutture ad hoc quali gli sporangi I lieviti gemmanti attivamente Giovane sporangio Columella producono cellule figlie mature È il sistema più diffuso in circa 30 minuti. Fotografe scattate a intervalli di 10 minuti Sporangiofori Ifa Sporangiospore Rizoidi Zigomiceti Aspergillus Acremonium Carlone et al. Microbiologia Farmaceutica. EdiSES  Riproduzione sessuata Spesso alternanza di fasi sessuate (conservazione della specie) con produzione di spore ed asessuate (diffusione della specie) con produzione di conidi Forma asessuata: anamorfica o imperfetta Lieviti Forma sessuata: telomorfica o perfetta Ascomiceti Zigomiceti Funghi filamentosi Saccharomyces cerevisiae Basidiomiceti A.A. Duina et al. Genetics 2014;197:33-48 Carlone et al. Microbiologia Farmaceutica. EdiSES L’azione patogena dei miceti  Azione patogena dei miceti I miceti svolgono la loro azione patogena sull’uomo attraverso: Azione diretta - Micosi Malattia da infezione fungina dovuta ad invasione e danno dei tessuti dell’ospite Azione indiretta - Ipersensibilità Reazione allergica a sostanze fungine o spore - Micetismo Avvelenamento causato da ingestione diretta di funghi tossici (es. Amanita phalloides, veleno α-amanitina, inibizione RNA-polimerasi → inibizione sintesi proteica) - Micotossicosi Amanita phalloides Intossicazione causata da micotossine © MONACO NATURE ENCYCLOPEDIA  Meccanismi di patogenicità dei funghi a) Adesività (superfici dell’ospite o superfici inerti) Meccanismi non specifici: Forze idrofobiche Cariche elettrostatiche Meccanismi specifici: Interazione tra adesine e recettori Diretta: tra cellula fungina e cellula dell’ospite Indiretta (coadesione): mediata da un altro microrganismo aderente alla cellula dell’ospite Possibili adesine Recettori Chitina Cellule epiteliali, superfici mucose Glucani Sconosciuti Mannani/Mannoproteine Cellule epiteliali Lipidi Cellule epiteliali Albumina, collagene, fibrina, Proteine fibrinogeno, fibronectina, laminina  Meccanismi di patogenicità dei funghi b) Invasività Nelle muffe l’invasione dei tessuti sembra facilitata dalla spinta meccanica che dipende dall’allungamento ifale Nei lieviti la diffusione del micete sembra sia determinata dalla fagocitosi Dal primitivo focolaio infiammatorio, che nelle forme esogene è quasi sempre polmonare e clinicamente silente, l’infezione può diffondersi ad altri organi e tessuti per via ematica o linfatica (negli ospiti immunocompromessi) c) Produzione di enzimi (mediano l’invasività) Proteasi, metalloproteasi, aspartilproteasi (Candida albicans) Fosfolipasi, lipasi Serinproteasi (Aspergillus spp.) Cheratinasi (dermatofiti) Fenolo-ossidasi (Cryptococcus neoformans)  Meccanismi di patogenicità dei funghi d) Produzione di tossine (alcune interferiscono con la risposta immunitaria) Candida albicans glicoproteine, canditossina tossine a basso peso molecolare Aspergillus spp. gliotossina, fumigatossina, restrictocina Micetismo (ingestione funghi velenosi) Micotossicosi (ingestione di alimenti contaminati da micotossine) Amanita muscaria Micotossine: metaboliti secondari a basso PM prodotti da funghi in alimenti contaminati ed ingeriti con essi Quando assunti da animali vertebrati (per ingestione, inalazione o contatto) possono esercitare effetti tossici acuti (ad elevate concentrazioni) o cronici (a basse concentrazioni, assunte ripetutamente nel tempo). Sono potenti agenti cancerogeni  Meccanismi di patogenicità dei funghi e) Strutture cellulari (capsula antifagocitaria, immunomodulante) Mannani (Candida albicans) α-1,3-glucani (Blastomyces dermatitidis) (Histoplasma capsulatum) (Paracoccidioides brasiliensis) Glucuronoxilomannani (GXM) (Cryptococcus neoformans) (componenti capsulari) Recettori del complemento (inibiscono l’opsonizzazione) f) Pleomorfismo, dimorfismo Forme miceliali (C. albicans) o lievitiformi invasive (funghi dimorfici termici) Da lievito a muffa o viceversa cambiano le strutture parietali e la modalità di adesione e invasione g) Immunoevasione antigenica Cambiamenti degli antigeni superficiali (evasione) → il nostro sistema immunitario non è in grado di attivare una risposta secondaria alle esposizioni successive Infezione fungina Condizioni predisponenti all’insorgenza di micosi Spesso opportunistiche Malattie concomitanti Variazioni dello status fisiologico Infezioni microbiche Gravidanza Disfunzioni endocrine Prima infanzia Alterazioni delle difese immunitarie Vecchiaia Fattori dietetici Fattori meccanici Dieta ricca di carboidrati Traumi, ustioni Carenze vitaminiche Occlusione o macerazione dei tessuti Fattori iatrogeni Trattamento con farmaci che alterano la composizione della popolazione microbica residente o le difese dell’ospite nei confronti delle infezioni Interventi chirurgici, introduzione di protesi o cateteri in tessuti o nei vasi  Classificazione delle micosi Convenzionalmente, le micosi sono classificate, in relazione al distretto anatomico di infezione, alla modalità di infezione e alla conseguente entità della risposta immunitaria dell’ospite, in: MICOSI SUPERFICIALI (infezione direttamente dall’ambiente o infezione endogena) MICOSI (MUCO)CUTANEE (infezione dall’ambiente, da animali domestici, interumana; infezione endogena) MICOSI SOTTOCUTANEE (infezione per innesto traumatico; es. da rovi, spine e schegge) MICOSI PROFONDE o SISTEMICHE (infezione per inalazione) Micosi superficiali Infezione direttamente dall’ambiente o per contagio interumano Infezioni che interessano esclusivamente gli strati cornei della cute e gli annessi cutanei (peli e capelli) con nulla o scarsissima reazione immunitaria da parte dell'ospite (es. Pitiriasi versicolor provocata dal fungo Malassezia furfur) Caso clinico di Pitiriasi versicolor Micosi (muco)cutanee Infezione dall’ambiente, da animali domestici, interumana; infezione endogena Infezioni che interessano i tessuti cheratinizzati della cute, gli annessi cutanei (peli, capelli e unghie) e le mucose con danni tessutali e significativa reazione immunitaria da parte dell'ospite (es. candidosi, dermatofitosi) Casi clinici di candidosi delle mucose Casi clinici di candidosi della cute Mughetto Micosi sottocutanee Infezione per innesto traumatico; es. da rovi, spine e schegge Infezioni che coinvolgono la cute e i tessuti sottocutanei dopo innesto traumatico dell'agente eziologico. Possono rimanere localizzate o diffondere per contiguità, o per via linfatica, con rilevante reazione immunitaria da parte dell'ospite (es. sporotricosi, zigomicosi) Micosi profonde Infezione per inalazione Infezioni, solitamente a livello polmonare, che possono disseminare per via ematica con coinvolgimento degli organi interni e della cute (micosi disseminate o sistemiche) con massima reazione immunitaria da parte dell‘ospite Casi clinici di criptococcosi e aspergillosi polmonare