Metabolismo, crescita e riproduzione batterica

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1 Metabolismo, crescita e riproduzione batterica 1

2 Ossigeno (presente o assente) Nutrienti (energia) Temperatura ottimale ph ottimale 2

3 OSSIGENO 1. Aerobi obbligati 2. Anaerobi obbligati 3. Aerobi/Anaerobi facoltativi 3

4 Crescono SOLO in presenza di O 2 NO fermentazione solo Fosforilazione ossidativa Esempio: Mycobacterium tuberculosis 4

5 Crescono SOLO in totale assenza di O 2 (uccisi) NO fosforilazione ossidativa Solo Fermentazione I batteri capaci di tollerare l O 2 hanno enzimi protettivi (catalasi e superossido dismutasi) che mancano negli anaerobi stretti) Es: Clostridium tetani) 5

6 Sono la maggior parte dei batteri Crescono SIA in presenza che in assenza di O 2 Fermentazione Respirazione aerobica 6

7 Fermentazione Processo anaerobico: un intermedio organico originato da un substrato fermentabile (zuccheri) funge da accettore terminale di elettroni (Es: acido piruvico nella fermentazione da glucosio ad acido lattico, acetaldeide nella fermentazione da glucosio a etanolo). 1 mole glucosio 2 ATP Respirazione aerobica Respirazione anaerobica Processo in cui composti inorganici diversi da O 2 fungono da accettore terminale degli elettroni (nitrato, solfato)(glicolisi + Ciclo di Krebs/fosforilazione ossidativa). 7

8 I processi avvengono sulla membrana cellulare, che è la sede di: enzimi e vettori della catena respiratoria processi di fosforilazione ossidativa 8

9 ENERGIA E NUTRIENTI 9

10 METABOLISMO In base alla fonte di CARBONIO utilizzato per la crescita gli organismi si distinguono in: - AUTOTROFI: utilizzano carbonio inorganico (CO2), es: fotosintesi clorofilliana - ETEROTROFI: utilizzano carbonio proveniente da composti organici (zuccheri, lipidi, aminoacidi) 10

11 I batteri che interessano la microbiologia clinica sono tutti ETEROTROFI, e ricavano ENERGIA dal metabolismo di zuccheri, grassi e proteine. 11

12 Elementi essenziali, loro fonti e funzioni nei procarioti 12

13 A seconda dei nutrienti disponibili i batteri li metabolizzano: come fanno? Regolazione genica tramite OPERONI Nei procarioti i geni sono organizzati in operoni : questi contengono, oltre ai geni che devono essere trascritti, sequenze particolari, i siti di controllo, che regolano l'espressione dei geni dell'intero operone. Gli operoni sono assenti negli eucarioti, che possiedono meccanismi di REGOLAZIONE GENICA differenti. 13

14 Come funziona l operone In assenza del substrato, la proteina repressore si lega a un tratto di DNA (gene operatore) e blocca l accesso della RNA polimerasi al gene promotore dal quale inizia la trascrizione dei geni strutturali. In presenza del substrato (induttore), questo si lega alla proteina repressore e libera l operatore, così l RNA polimerasi si può legare all operatore e inizia la trascrizione (Es: operone del lattosio, operone del triptofano). 14

15 Nel cromosoma batterico si trovano numerosissimi operoni per il metabolismo di svariati substrati (NB: anche alcuni geni di resistenza funzionano come operoni inducibili; es. beta-lattamasi inducibili) 15

16 TEMPERATURA OTTIMALE Mesofili: T C corpo umano Psicrofili T C vicina congelamento Termofili T C vicina ebollizione I batteri che colonizzano/parassitano l uomo sono MESOFILI. 16

17 La maggior parte cresce a ph neutro Alcuni possono sopravvivere/crescere: - ph acido (ACIDOFILI) - ph alcalino (BASOFILI) 17

18 Moltiplicazione ASESSUATA, per scissione (o divisione o fissione) binaria La riproduzione inizia con la replicazione del DNA; le 2 nuove molecole vengono separate dal SETTO (2 membrane separate da 2 strati di peptidoglicano, neosintetizzati), che inizia a formarsi dall esterno verso il centro, separando le 2 cellule figlie. L ancoraggio del DNA alla membrana (mesosoma) trascina il cromosoma duplicato nella nuova cellula. Il tempo di divisione (tempo di generazione) varia a seconda dei batteri, da 20 minuti (Escherichia coli) a diverse ore (Micobatteri). 18

19 Duplicazione DNA (semiconservativa) OriC = origine di replicazione Topoisomerasi rilassa il DNA superavvolto; elicasi apre la doppia catena; primasi sintetizza i primers sul filamento lento; Dna polimerasi DNA dipendente sintetizza DNA in direzione 3-5, fino al termine; girasi consente il superavvolgimento del DNA 19

20 Replicazione del cromosoma batterico di E. coli. Si vedono bene le forcelle di replicazione. 20

21 Terminazione replicazione All avvicinarsi del completamento del processo, si arresta la sintesi, e i cromosomi nuovi sono intrecciati tra loro. Il processo di separazione viene portato avanti da enzimi della famiglia delle TOPOISOMERASI che tagliano uno dei due doppi filamenti in modo che l altro possa passare attraverso l interruzione. In un secondo momento gli stessi enzimi rinsaldano il taglio. 21

22 N.B. Alcuni farmaci agiscono su enzimi batterici coinvolti nella replicazione del cromosoma batterico Bersaglio dei fluorochinoloni (ciprofloxacina, norfoloxacina) 22

23 CURVA DI CRESCITA Fase di latenza: le cellule aumentano di volume ma non di numero: i batteri si adattano al nuovo ambiente. Fase esponenziale o logaritmica: i batteri si moltiplicano con un tempo di duplicazione che dipende dal ceppo e dall ambiente. Fase stazionaria: i batteri smettono di crescere per la mancanza di nutrienti e l accumulo di sostanze tossiche. Fase di morte cellulare: la fase di declino o morte cellulare è una funzione esponenziale e si manifesta come riduzione lineare del numero di cellule vitale nel tempo. Il tasso di mortalità aumenta fino a raggiungere un livello costante. 23

24 Tempo necessario per la duplicazione della massa batterica Per molti batteri comuni il tempo è min in condizioni ottimali Per alcuni patogeni può essere di 5-10 ore Da una cellula madre si originano due cellule figlie identiche. L accumularsi di cellule figlie origina le COLONIE batteriche. 24

25 Calcolo del n di batteri N t = N 0 X 2 n (N t ): numero di batteri in una popolazione ad un determinato tempo (N 0 ): numero iniziale di batteri della popolazione (n): numero di divisioni effettuate dai batteri nel tempo dato Es: Escherichia coli, in condizioni ottimali ha un tempo di generazione di 20 minuti. Se all inizio ci sono 10 batteri (N 0 = 10) e si lasciano crescere per 12 ore (n =12x3=36), allora secondo la formula il numero dei batteri N t dopo 12 ore sarà: N t = 10 x 2 36 = cellule di E. coli!! 25

26 Metodi di misurazione del n di batteri 1. Misurazione del grado di TORBIDITA (OD spettrofotometro) 2. Conta dei batteri al microscopio con camera conta cellule 3. Conta elettronica (strumenti automatici contacellule) 4. Conta delle cellule VIVE: semina del campione diluito su terreno-agar (n delle colonie = n delle cellule iniziali vive) 26