PROGRAMMA di MICROBIOLOGIA

(in questa sezione saranno esposti i principali argomenti del programma ricordando che per avere una visione maggiormente dettagliata del corso è consigliabile studiare sui libri di testo opportuni)

Struttura e funzioni delle cellule microbiche Confronto fra le cellule di Eucarioti, Eubatteri, Archeobatteri. Caratteristiche morfologiche dei principali gruppi microbici. Capsula. Parete cellulare. Membrana citoplasmatica. Pili e flagelli. Il nucleoide. Struttura e organizzazione del cromosoma. Citoplasma. Ribosomi e polisomi. Inclusi citoplasmatici. Endospore. Crescita e controllo della crescita microbica.
Terreni e condizioni di crescita. Colture pure. Inibizione della crescita. Antibiotici: struttura e meccanismo di azione, minima concentrazione
inibente, meccanismi di resistenza. Genetica dei microrganismi Mutazione. Selezione e vaglio di mutanti. Meccanismi di trasferimento di informazione genetica nei batteri. Trasformazione. Plasmidi. Proprietà generali. Replicazione e ripartizione. Coniugazione. Virus. Virus batteriofagi. Ciclo litico. Ciclo lisogenico. Controllo della lisogenia. Trasduzione generalizzata e specializzata. Ricombinazione.
Trasposoni. Struttura e caratteristiche. Meccanismi di trasposizione. Relazioni evolutive tra plasmidi, fagi e trasposoni. Metabolismo caratteristiche metaboliche, fisiologiche e ecologiche dei principali gruppi batterici Metabolismo centrale e reazioni biosintetiche.
Fermentazione, respirazione anaerobica, respirazione aerobica, fotosintesi. Evoluzione dei meccanismi energetici nei batteri.
Assimilazione di C, N e S. Fissazione dell'azoto. Regolazione dellle vie biosintetiche a livello di attività enzimatica. Enzimi allosterici
Regolazione dell'espressione genica Strategie e livelli di regolazione. Regolazione positiva e negativa dell'inizio di trascrizione.
Regolazione a livello di terminazione della trascrizione. Attenuazione (operone trp). Struttura genomica (topologia DNA; riarrangiamenti genomici). Reti regolative. Repressione da catabolita. Risposta stringente. Allarmoni. Interazione dei procarioti con altri organismi
Microrganismi patogeni. Difese aspecifiche e specifiche dell'ospite. Virus.

LABORATORIO
I metodi della microbiologia. Metodi di sterilizzazione. Colture pure. Terreni di crescita; influenza di richieste nutrizionali, temperatura, pH,
ossigeno, luce. Crescita, arricchimento e selezione di microrganismi. Microscopia. Tecniche di colorazione. Crescita delle popolazioni batteriche Metodi per misurare la crescita. Descrizione matematica della crescita batterica. La curva di crescita. Controllo della crescita. Selezione e arricchimento. Richieste nutrizionali Identificazione delle specie batteriche e tassonomia molecolare

(tratto dall'Università degli studi di Milano - www.unimi.it )

INTRODUZIONE ALLA MICROBIOLOGIA

BATTERI: organismi unicellulari procarioti appartenenti al regno delle MONERE.

Si presentano in varie forme e questa è una caratteristica che permette la classificazione:

-         cocchiàsfera

-         bacilliàbastoncini

-         vibrioniàvirgola

-         spirilliàspirale

I batteri inoltre si dividono in GRAM+:

-         parete cellulare con peptidoglicano, piuttosto spessa (100-800A°)

-         periplasma (zona tra parete e membrana citoplasmatica)

I batteri GRAM-:

-         membrana esterna

-         periplasma (zona tra membrana esterna e parete cellulare)

-         parete cellulare con peptiglicano (+ sottile: 80-100A°)

-         membrana cellulare

COLORAZIONE DI GRAM:

All'esterno i batteri presentano degli organi di locomozione: i flagelliàpossono essere 1 o + e disposti in zone diverse. Sono costituiti da proteine e hanno struttura elicoidale. Vi sono oltre ai flagelli anche le fimbrie che sono estroflessioni della membrana o parete. I pili servono invece per lo scambio di DNA.

Alcuni batteri presentano la capsula che ha funzione di difesa e protezione. Quelli che la presentano sono chiamati S (smooth = lisci) viceversa sono R (rugosi). La presenza o l'assenza della capsula non influisce sulla sopravvivenza del batterio.

La parete cellulareàserve per conferire la forma e la protezione, ed è costituita nei GRAM- dal 1 al 10% di peptidoglicano e nei GRAM+ per il 40-80%.

La membrana citoplasmaticaàserve per protezione e trasporto di sostanze. Il trasporto può essere come in tutte le cellule, passivo o attivo. Nella membrana avvengono tutte le funzioni vitali del batterio ad esempio viene controllata la DIVISIONE CELLULARE e tramite il mesosoma avviene la corretta ripartizione del DNA che è per la stragrande maggioranza dei batteri ad un unico filamento circolare e non è racchiuso da membranaànucleoide.

Nel citoplasma vi sono i plasmidi che sono piccole molecole di DNA con informazioni genetiche anche importanti. Inoltre nel citoplasma vi sono proteine (enzimi per il metabolismo), acidi nucleici, carboidrati, lipidi, DNA, ribosomi (+ piccoli) ed inclusioni citoplasmatiche (glicogeno).

GENETICA DEI BATTERI

I batteri si riproducono per fissione binaria che è una forma di riproduzione asessuata. Esistono però 3 meccanismi per lo scambio di DNA:

1)      Trasformazioneàun frammento di DNA viene trasferito da un batterio ad un altro e si integra nel DNA di quest'ultimo sostituendone il tratto omologo creando così una nuova generazione.

2)      Trasduzioneàalcuni batteriofagi agiscono come vettori di geni; si ha così la trasduzione generalizzata in cui durante il ciclo litico un frammento del cromosoma batterico viene accidentalmente incorporato in una nuova particella virale e da questa in una successiva infezione il frammento di DNA batterico può essere trasferito ad un altro batterio e il frammento è uno qualsiasi; nella trasduzione specializzata invece il profago esce dal cromosoma batterico per iniziare il ciclo litico e staccandosi porta con sé un frammento di DNA batterico che è sempre quello adiacente al profago.

3)      Plasmidi e coniugazioneàNei batteri sono presenti anche molecole di DNA circolari dette PLASMIDI. Questi si replicano in modo autonomo rispetto al cromosoma batterico e alcuni possono integrarsi stabilmente in esso; per lo più sono in grado di passare facilmente da una cellula batterica ad un'altra. Il plasmide F può promuovere la CONIUGAZIONE: processo in cui il DNA del plasmide è trasferito da un batterio donatore a un ricevente attraverso un ponte citoplasmatico formato da appendici dette pili coniugativi che si trovano solo sulla cellula donatore. Le cellule F- (ricevente) sono prive di plasmide e quelle F+ (donatore) lo hanno. Durante la coniugazione una cellula F+ replica il suo plasmide e ne trasferisce una copia alla F- attraverso un pilo coniugativo diventando F+ che diventa capace di produrre plasmidi e coniugare. Se il plasmide F è integrato nel cromosoma batterico si ha la cellula Hfr e durante la coniugazione viene trasferito un tratto di cromosoma batterico e la cellula ricevente avrà nuova ricombinazione genetica.

FORMAZIONE DELL'ENDOSPORA BATTERICA:

CURVA DI CRESCITA:

Quando i microrganismi crescono in un ambiente chiuso (in batch) la curva di crescita che ne risulta presenta in genere 4 fasi:

1. fase lagà fase di latenza in cui le cellule sintetizzano i vari componenti cellulari
2. fase esponenzialeà il numero della popolazione raddoppia a intervalli cotanti detti tempo di raddoppio o di generazione
3. fase stazionariaà cessa la crescita della popolazione, generalmente a causa della concentrazione dei nutrienti
4. fase di morteà esaurimento di nutrienti e accumulo di metabolici tossici creano un declino numerico delle cellule vitali della popolazione.

BREVE CLASSIFICAZIONE DEI MICRORGANISMI:

IN BASE AL pH:

-         acidofili (pH 1.0 – 5.5)

-         neutrofili (pH 5.5 – 8.0)

-         basofili (pH 8.5 – 11.5)

-         alcalofili estremi (pH > 10)

IN BASE ALLA TEMPERATURA:

-         psicrofili (0°C - 20°C)

-         psicrotrofi o psicrofili facoltativi (20°C – 35°C)

-         mesofili (15°C – 45°C)

-         termofili (45°C – 100°C)

IN BASE ALLA CONCENTRAZIONE DI OSSIGENO:

-         aerobio (crescita in presenza di ossigeno)

-         anaerobio (crescita in assenza di ossigeno)

-         aerobi obbligati (dipendenza per la crescita dall’ossigeno)

-         anaerobi facoltativi (non richiedono ossigeno per la crescita anche se questa avviene meglio in sua presenza)

-         anaerobi aerotolleranti (ignorano l’ossigeno e crescono ugualmente in sua assenza o presenza)

-         anaerobi obbligati (non tollerano l’ossigeno che risulta letale)

-         microaerofili (danneggiati dalla normale concentrazione di ossigeno ma crescono bene con concentrazioni molto inferiori)

IN BASE ALLA PRESSIONE:

-         barotolleranti (aumenti di pressione non influenzano il metabolismo e la crescita)

-         barofili (crescono bene a pressioni elevate)

IN BASE ALLA CONCENTRAZIONE DI SOLUTI:

-         osmotolleranti (crescono in terreni con diversa attività dell’acqua e concentrazione osmotica)

-         alofili (adattati agli ambienti salini)

IN BASE ALLE ESIGENZE NUTRIZIONALI:

FONTI DI CARBONIO:

-         autotrofi (CO₂ come unica o principale fonte di carbonio)

-         eterotrofi (molecole organiche preformate, da altri organismi)

FONTI DI ENERGIA:

-         fototrofi (luce)

-         chemiotrofi (ossidazione di composti organici o inorganici)

FONTI DI IDROGENO O ELETTRONI:

-         litotrofi (molecole inorganiche ridotte)

-         orfanotrofi (molecole organiche)

PRINCIPALI TIPI NUTRIZIONALI:

-         fotolitotrofi autotrofi

-         fotorganotrofi eterotrofi

-         chemiolitotrofi autotrofi

-         chemiorganotrofi eterotrofi

VIRUS

VIRUS: entità viventi e non – viventi in quanto non possiedono tutte le caratteristiche delle cellule e non si riproducono autonomamente ma necessitano di un'ospite.

Esso è costituito da una testa, collo e colletto, stilo, guaina, piastra, fibre (nel caso del fago T4).

I virus sono altamente specifici e una volta penetrati nella cellula ospite devono:

-         replicare il proprio genoma

-         produrre i loro elementi costitutivi

-         auto assemblarsi

Replicazione del genoma:

-         nei virus a DNA, questo si replica e viene trascritto in mRNA che dirigerà la sintesi dei vari componenti utilizzando le risorse della cellula ospite.

-         Nei virus a RNA, in alcuni l'acido nucleico è replicato dalla Rna replicasi che sintetizza nuovo RNA dallo stampo dell'RNA virale; nei retrovirus invece l'RNA virale è utilizzato come stampo per copiare un singolo filamento di DNA complementare (cDNA) mediante l'enzima trascrittasi inversa penetrato nella cellula insieme all'RNA. Il filamento di cDNA fa a sua volta da stampo per la sintesi di un filamento complementare di DNA formando una doppia elica di cDNA che si integra nel genoma dell'ospite e viene trascritta per dare mRNA e nuove RNA virale.

I virus escono dalla cellula ospite attraverso la LISI della cellula infettata oppure tramite esocitosi.

Ciclo LITICOà

-         infezione del fago di una cellula batterica

-         inoculazione del cromosoma virale

-         replicazione del cromosoma virale

-         assemblaggio della progenie virale

-         lisi della cellula e rilascio della progenie virale

-         il fago può infettare un'altra cellula batterica

Ciclo LISOGENOà

-         infezione del fago di una cellula batterica

-         inoculazione del cromosoma virale

-         il DNA del fago si integra nel DNA batterico diventando un profago

-         il profago integrato si replica assieme al cromosoma batterico per tempo indeterminato

-         possibilità di fuoriuscita del profago innescando il ciclo LITICO (raggi U.V.; x; spontaneo)

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