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METABOLISMO BATTERICO L’insieme delle reazioni biochimiche necessarie per: - la demolizione del substrato e la sua conversione in energia utilizzabile (catabolismo) - l’utilizzo dell’energia prodotta col catabolismo nella biosintesi di componenti molecolari nece...

METABOLISMO BATTERICO L’insieme delle reazioni biochimiche necessarie per: - la demolizione del substrato e la sua conversione in energia utilizzabile (catabolismo) - l’utilizzo dell’energia prodotta col catabolismo nella biosintesi di componenti molecolari necessari per la crescita batterica o per i meccanismi di riparazione molecolare (anabolismo)  RESPIRAZIONE Si conoscono due tipi di respirazione: - RESPIRAZIONE AEROBIA → processo metabolico ossidativo in cui il donatore di elettroni è un composto organico e l’accettore finale di elettroni è l’ossigeno molecolare (composto inorganico) che è ridotto ad acqua. La respirazione aerobia viene utilizzata da microrganismi aerobi e anaerobi facoltativi. - RESPIRAZIONE ANAEROBIA → processo metabolico ossidativo in cui il donatore di elettroni è un composto organico e gli accettori finali di elettroni sono diversi composti organici (nitrato, solfato, carbonato, ferro). La respirazione anaerobia viene utilizzata da microrganismi anaerobi obbligati e anaerobi facoltativi.  CRESCITA BATTERICA: MECCANISMO DI RIPRODUZIONE ASESSUATA  RIPRODUZIONE BATTERICA Nel processo di scissione binaria, il numero dei batteri aumenta in maniera esponenziale. A seconda della specie o delle condizioni di crescita, il tempo minimo di duplicazione, può variare da un minimo di 20 minuti fino a parecchi giorni.  CURVA DI CRESCITA BATTERICA Curva che rispecchia la cinetica del processo replicativo. Si ottiene misurando la quantità di batteri presenti nell’unità di volume di un terreno, a diversi intervalli di tempo, e rappresentando graficamente il logaritmo del numero delle cellule batteriche in funzione del tempo, si ottiene una curva esponenziale. Principali Fattori ambientali che influenzano la crescita 1. Temperatura 2. pH 3. Disponibilità di H2O 4. Ossigeno 5. Pressione  TEMPERATURA La temperatura influenza la velocità delle reazioni enzimatiche  pH Il pH del mezzo influenza la crescita batterica. In base ai valori ottimali di sviluppo, i microrganismi sono suddivisi nei seguenti gruppi:  TENSIONE DI OSSIGENO Aerobi obbligati (es. Mycobacterium tuberculosis): necessitano della presenza di ossigeno per crescere (hanno sempre un metabolismo aerobio) Anaerobi obbligati (es. Clostridium tetani): sopravvivono e crescono solo in assenza di ossigeno (l’ossigeno è “tossico”) Anaerobi aerotolleranti (Es. Streptococcus pyogenes): possono crescere sia in assenza che in presenza di ossigeno ma non lo utilizzano mai (hanno sempre metabolismo anaerobio) Aerobi-anaerobi facoltativi (Es. Staphylococcus aureus): possono crescere sia in assenza che in presenza di ossigeno; in presenza di ossigeno lo utilizzano (metabolismo aerobio) e crescono meglio Microaerofili (es. Helicobacter pylori): necessitano di atmosfera con ridotta tensione di ossigeno per crescere (alla tensione atmosferica l’ossigeno è “tossico”)  TENSIONE DI OSSIGENO ANAEAEROBI MICROAEROFILI AEROBI OBBLIGATI OBBLIGATI AEROBI facoltativi e ANAEROBI aerotolleranti  TERRENI DI COLTURA Sono i substrati che contengono le sostanze che permettono la crescita del microrganismo. Sono composti da miscele di materiali biologici o sintetici organici o minerali  CLASSIFICAZIONE DEI TERRENI DI COLTURA In base allo stato fisico ➠ Terreni liquidi (brodi) ➠ Terreni solidi (addizionati di un agente gelificante generalmente agar) In base alla “funzione” ➠ Selettivi ➠ Differenziali  TERRENI SOLIDI Non è tossico Per solidificare i Generalmente terreni si usa non viene generalmente metabolizzato l’agar Dà massa solida con umidità ottimale Un terreno liquido può essere reso solido aggiungendo agar all’1,5%. AGAR: polisaccaride acido estratto da alghe rosse, non metabolizzato dai batteri, che funge da agente solidificante. Un terreno agarizzato diventa liquido a temperature superiori a 80°C e solidifica quando la temperatura scende al di sotto dei 45°C.  TERRENI SOLIDI Sui terreni solidi, la crescita batterica si manifesta con la formazione di colonie. Colonia: clone batterico derivante da un’unica cellula che si sviluppa nel punto di deposizione del primo batterio Dalla morfologia delle colonie (isolate) è possibile macroscopicamente distinguere se la coltura è pura (le colonie sono tutte uguali) o mista (sono presenti colonie con morfologie diverse) MORFOLOGIA DELLE COLONIE ALCUNI ESEMPI  TERRENI DI COLTURA - TERRENI DEFINITI O SINTETICI: si conosce l’esatta composizione chimica - TERRENI COMPLESSI: contengono diversi ingredienti la cui esatta composizione chimica non è perfettamente nota - TERRENI SELETTIVI: contengono sostanze a concentrazione nota che inibiscono o rallentano lo sviluppo di molte specie microbiche, ma non di altre - TERRENI DI ARRICCHIMENTO O ELETTIVI: la specie microbica di interesse vi cresce in un tempo assai più breve - TERRENI DIFFERENZIALI: contengono sostanze indicatrici di particolari reazioni biochimiche che avvengono nel terreno stesso Agar-sangue - terreno NON selettivo - differenziale (emolisi)  BIOFILM BATTERICI Il biofilm è lo stile di vita microbica più diffuso sulla Terra e guida i processi dei cicli bio-geochimici della maggior parte degli elementi che si trovano nell’acqua, nel suolo, nel sedimento e nel sottosuolo. Può essere definito come una comunità multimicrobica, strutturata, costituita da cellule batteriche adese ad una superficie (normalmente inerte), generalmente ad una interfaccia solido-liquido.  STADI DI SVILUPPO DEL BIOFILM Dispersion of planktonic cells Biofilm (mature) Biofilm (early stage) Late attachment (irreversible) Early attachment (reversible)  CARATTERISTICHE PRINCIPALI DEI BIOFILM - Sono onnipresenti, si possono trovare in vari ambienti - Resistenti alle sfide ambientali - Resistenti agli antimicrobici e alle difese dell'ospite - Svolgono un ruolo protettivo e funzionale indispensabile per la salute umana - Possono anche essere dannosi poiché coinvolti in varie infezioni microbiche: Si stima che l’80% di tutte le infezioni microbiche nell’uomo sia correlato a microrganismi in biofilm.  STRUTTURA DEL BIOFILM Microcolonie batteriche immerse in una matrice polisaccaridica extracellulare, organizzate in conglomerati irregolari con canali che permettono la circolazione dei fluidi BIOFILM batterico su una protesi BIOFILM su lente a vascolare (biofilm maturo) contatto  BIOFILM BATTERICI E INFEZIONI Infezioni associate all’uso di dispositivi medici (devices): graft vascolari valvole cardiache artificiali Altre infezioni (esempi): protesi ossee e osteo-articolari polmonite (in fibrosi cistica) cateteri venosi centrali (CVC) endocardite cateteri urinari osteomielite ventilatori meccanici prostatite colite uretrite otite > 65% delle infezioni nosocomiali Le parti esterne del biofilm possono distaccarsi Rilascio di aggregati batterici nel torrente circolatorio (emboli settici)  ENDOCARDITE BATTERICA Per endocardite batterica si intende un’infezione che colpisce l’endocardio o le superfici valvolari. Se non trattata tempestivamente può seriamente danneggiare i tessuti cardiaci e provocare gravi complicazioni. Batteri più spesso in causa: Disturbi emodinamici Streptococchi Embolizzazione settica Stafilococchi Enterococchi  GENOMA BATTERICO Il DNA batterico è composto da un solo cromosoma, che si presenta come una molecola circolare a doppio filamento. PLASMIDI: elementi extracromosomici costituiti da DNA circolare a doppia elica. All’interno di una cellula batterica possono essere presenti in numero variabile, possono essere presenti allo stato libero o integrato nel cromosoma batterico (episomi). TRASPOSONI: segmenti di DNA cromosomico o plasmidico che possono traslocare da una zona all’altra del genoma. La loro trasposizione causa duplicazioni o delezioni di alcune sequenze di DNA. I trasposoni più semplici sono chiamati sequenze di inserzione (IS) a doppia elica  REPLICAZIONE DEL DNA Avviene con un meccanismo semiconservativo e inizia in corrispondenza di una specifica sequenza chiamata origine di replicazione (oriC) e procede in modo bidirezionale. Il processo coinvolge numerosi enzimi: ELICASI ➠ svolge il DNA nel punto di origine PRIMASI ➠ sintetizza corte sequenze ribonucleotidiche in corrispondenza dell’origine di replicazione che funzionano da innesco DNA-polimerasi ➠ sintetizza una copia del DNA TOPOISOMERASI ➠ provocano una serie di avvolgimenti positivi (topoisomerasi I) e negativi (topoisomerasi II) Dal momento che i batteri di riproducono in maniera asessuata, la loro evoluzione è garantita da due importanti meccanismi: - MUTAZIONI - RICOMBINAZIONE Si definisce mutazione qualsiasi cambiamento nella sequenza di basi del DNA. Possono essere spontanee (es. errore della polimerasi durante la replicazione) o indotte da agenti fisici e chimici (es. calore, luce ultravioletta, raggi x). La ricombinazione genetica è un meccanismo che guida l’incorporazione di DNA extracromosomiale contenente uno o più geni, consente il riarrangiamento di geni con la formazione di un cromosoma ricombinante e l’acquisizione di nuovi caratteri fenotipici. La ricombinazione può essere omologa (se avviene tra sequenze affini di DNA) o sito-specifica quando sono coinvolti particolari sequenze di DNA  TRASFERIMENTO GENICO A. TRASFORMAZIONE: cattura di DNA nudo, a doppia elica, da parte di un batterio. DNA nudo Legame tra DNA e cellula Integrazione attraverso ricombinazione omologa  TRASFERIMENTO GENICO B. TRASDUZIONE: passaggio del DNA di un batterio ad un altro tramite un virus (batteriofago), senza che si verifichi alcun contatto intercellulare. batteriofago batteriofago Formazione di nuovi virus Ciclo litico Iniezione dell’acido Ciclo nucleico fagico nella lisogeno cellula batterica Integrazione del DNA virale  TRASFERIMENTO GENICO C. CONIUGAZIONE: trasferimento di materiale genetico direttamente da un batterio all’altro. Si verifica in tutti i batteri che possiedono plasmidi coniugativi. Il più noto è il plasmide F Cromosoma pilo Plasmide F  FAGI I fagi sono definiti virus parassiti dei batteri e presentano: - grandezza di 23-32 nm di diametro - contenitore proteico (testa) che racchiude l’acido nucleico DNA o RNA - appendice tubulare (coda) - diverse appendici contrattili in grado di iniettare l’acido nucleico nel citoplasma batterico  SPORE Le spore originano all’interno della cellula batterica madre e rappresentano una forma di resistenza ad un ambiente esterno sfavorevole. Sono caratterizzate da una stratificazione di laminazioni concentriche  SPORULAZIONE Il processo di sporulazione si compone di diverse fasi: 1. Fase vegetativa 2. Formazione del setto 3. Endocitosi 4. Prespora 5. Formazione del cortex 6. Assemblaggio involucri sporali Cellula vegetativa Spora batterica PATOGENICITÀ MICROBICA  CLASSIFICAZIONE DEI BATTERI SECONDO IL POTERE PATOGENO Non patogeni (non causano malattia) Patogeni (possono causare malattia) Patogeni classici (possono causare malattia anche nel soggetto normale) Patogeni opportunisti (possono causare malattia ma solo nell’ospite compromesso) Meccanismi con cui i batteri patogeni causano malattia MECCANISMI DI PATOGENICITÀ BATTERICA  MECCANISMI DI PATOGENICITÀ BATTERICA Rilascio di tossine batteriche Invasione e danneggiamento dei tessuti dell'ospite Innesco di reazioni di ipersensibilità  TOSSINE BATTERICHE Endotossina - Componente strutturale dei batteri Gram-negativi (membrana esterna) - Costituita da componente lipidica di LPS (lipide A) - Liberata in seguito a lisi cellulare Tossine proteiche - prodotte da batteri Gram-positivi e Gram-negativi - secrete all’esterno della cellula (esotossine)  MALATTIE CAUSATE DA TOSSINE PROTEICHE colonizzazione di mucose e rilascio di tossine con effetto delle tossine a livello locale I batteri colonizzano la superficie della mucosa mediante ADESINE Determinanti di patogenicità: Produzione di TOSSINA PROTEICA che agisce - Adesine sull’epitelio - Tossine proteiche Danno / disfunzione mucosale Esempi: MALATTIA - Colera - Pertosse - Malattia da Clostridium difficile  COLERAC Quadro clinico: O: - Diarrea abbondante acquosa - (feci “ad acqua di riso”) - Rapida disidratazione, squilibrio idro-elettrolitico - Shock ipovolemico - Letalità: 0.1 – 10% L’agente responsabile è Vibrio cholerae: - Bacillo incurvato mobile per la presenza di un flagello polare - Gram-negativo  COLERA - PATOGENESI (I) V. cholerae vive naturalmente nella acque dolci o salmastre (associato a piccoli crostacei) Ingestione dei vibrioni acqua contaminata cibi contaminati Per superare la barriera gastrica è necessaria una dose elevata di vibrioni: 106 – 109 cellule batteriche (il vibrione è acido-labile) Maggiore sensibilità all’infezione in: - Bambini - Anziani - Soggetti con gastriti atrofiche - Soggetti in trattamento con PPI COLERA - PATOGENESI (II) Il FLAGELLO aiuta a superare la barriera di muco I PILI servono ad aderire all’epitelio intestinale Colonizzazione della mucosa intestinale I batteri adesi all’epitelio producono una tossina proteica detta TOSSINA COLERICA La TOSSINA COLERICA interagisce con gli enterociti e ne altera il funzionamento  TOSSINA COLERICA Proteina oligomerica costituita da 5 subunità: 1 subunità A e 5 subunità B identiche La subunità A ha la funzione tossica Le subunità B servono per veicolare la subunità A all’interno degli enterociti Alterazione del funzionamento delle pompe ioniche VIBRIO CHOLERAE – DIAGNOSI Esame microscopico delle feci diarroiche dopo colorazione di Gram Presenza di bacilli Gram- negativi incurvati (a virgola) permette di sospettare il colera (assieme alla presentazione clinica) MALATTIE CAUSATE DA TOSSINE PROTEICHE Infezione locale e rilascio di tossine con effetto a distanza Esempio: - TETANO L’agente responsabile è Il batterio vive nell’intestino, e quindi Clostridium tetani nelle feci, dell’essere umano o di altri animali mammiferi. Le spore del batterio possono Bacillo Gram-positivo sopravvivere nell’ambiente e contaminarlo. - ANAEROBIO obbligato Esse sono presenti in particolare sul terreno e - SPORIGENO nelle acque scure delle fognature.  TETANO Contaminazione di ferita Moltiplicazione forme con spore di C. tetani vegetative Produzione di TOSSINA TETANICA Germinazione delle spore (possibile solo se si verificano condizioni di anaerobiosi) La TOSSINA entra in circolo e si localizza a livello del SNC IPERTONO MUSCOLARE PARALISI SPASTICA  TETANO - PROFILASSI Vaccinazione con anatossina tetanica (nel primo anno di vita) Anatossina (tossoide) = Tossina modificata, priva dell’attività tossica ma ancora provvista del potere antigenico La vaccinazione con anatossina (3 dosi, a distanza di almeno un mese) induce la produzione di anticorpi che neutralizzano la tossina e proteggono dalla malattia in caso di infezione L’anatossina deve essere somministrata periodicamente (circa ogni 10 anni) per mantenere un livello protettivo di anticorpi circolanti  MALATTIE CAUSATE DA TOSSINE PROTEICHE BOTULISMO: L’agente responsabile è Clostridium botulinum Bacillo Gram-positivo - ANAEROBIO obbligato - SPORIGENO Le SPORE di C. botulinum Possibile la contaminazione Se nell’alimento si verifica sono diffuse nell’ambiente di alimenti anaerobiosi (terreno, acque) le spore germinano es. insaccati, conserve artigianali, sotto vuoto  BOTULISMO Le forme vegetative si moltiplicano, e producono una tossina proteica TOSSINA BOTULINICA, che si accumula nell’alimento Ingestione di alimenti contenenti TOSSINA BOTULINICA Assorbimento della TOSSINA a livello intestinale (la tossina è acido-stabile) La TOSSINA BOTULINICA entra in circolo e si localizza a livello delle terminazioni nervose periferiche: PARALISI FLACCIDA  STRATEGIE DI PATOGENICITÀ BATTERICA Invasione del tessuti con distruzione tessutale causata da enzimi e tossine Faringotonsillite streptococcica Agente causale più frequente: Streptococcus pyogenes Più raramente altri streptococchi: Streptococcus anginosus, Streptococcus constellatus, Streptococcus dysgalactiae Cocchi Gram-positivi Disposizione a catenella Habitat: mucosa del faringe umano Trasmissione: contatto diretto o aerosol STREPTOCOCCHI: CLASSIFICAZIONE IN BASE ALL’EMOLISI (VALUTATA MEDIANTE CRESCITA IN AGAR SANGUE) Alfa-emolisi (alone verdastro, emolisi incompleta) Streptococchi alfa-emolitici Beta-emolisi (alone chiaro, emolisi completa) Streptococchi beta-emolitici Streptococchi non-emolitici (o gamma-anemolitici)  STREPTOCOCCHI: CLASSIFICAZIONE DI LANCEFIELD (BASATA SULLA STRUTTURA DEL POLISACCARIDE C PRESENTE NELLA PARETE BATTERICA) Classificazione di Lancefield distingue gli streptococchi in gruppi (A, B, C …) in base alla specificità antigenica del polisaccaride C (carboidrato) Esistono una ventina di gruppi di polisaccaride C (A, B, C….), distinguibili per le loro caratteristiche antigeniche Fibrille - Ad es. lo Steptococcus pyogenes è provvisto di polisaccaride C di gruppo A - Altri streptococchi responsabili della faringotonsillite hanno un polisaccaride di gruppo C o G Nella parete di alcuni streptococchi è presente Peptidoglicano un polisaccaride detto Membrana POLISACCARIDE C plasmatica  STREPTOCOCCUS PYOGENES Streptococcus Lo Streptococcus pyogenes pyogenes aderisce alla mucosa del faringe mediante ADESINE di superficie (fibrille di proteina M + acido lipoteicoico + proteina F) Lo Streptococcus pyogenes può: - colonizzare la mucosa del faringe senza causare malattia (portatori asintomatici) - invadere la mucosa del faringe causando infezione dei tessuti sottostanti, con infiammazione (faringo-tonsillite) Può essere trasmesso dai portatori e dai malati  STREPTOCOCCUS PYOGENES Nell’infezione invasiva lo S. pyogenes resiste alla fagocitosi mediante: - una capsula extracellulare - la proteina M ed altre proteine di superficie La proteina M - Localizzata a livello della parete batterica Fibrille di - Forma strutture fibrillari che si proiettano proteina M verso l’esterno - Ne esistono numerosi (>120) sierotipi - L’immunità che si sviluppa in seguito ad infezione è sierotipo-specifica (possibilità di reinfezioni multiple con sierotipi diversi) Streptococcus pyogenes che ha invaso la mucosa e i tessuti sottostanti (protetto da fagocitosi) Produzione di TOSSINE ed ENZIMI: - Streptolisine (O ed S) (tossine che lisano le membrane cellulari) - DNAsi (degrada DNA ad alto PM liberato dalle cellule morte) - Ialuronidasi (degrada acido ialuronico della matrice intercellulare) - Streptochinasi (attiva il plasminogeno → degradaz. coaguli) Invasione e danno tessutale Infiammazione INFEZIONI DI CUTE E TESSUTI MOLLI DA Streptococcus pyogenes Impetigine Erisipela Fascite necrotizzante