Metabolismo batterico, replicazione dei batteriofagi e resistenza agli antibiotici

Metabolismo Batterico

Metabolismo

• L'insieme dei processi chimici che si svolgono all'interno di una cellula

1. Anabolismo: sintesi di composti complessi => Utilizzo di energia
2. Catabolismo: scissione di composti complessi in composti più semplici => produzione di energia

Metabolismo Batterico: Classificazione

Metabolismo batterico

• Autotrofi
  • Le sostanze organiche vengono sintetizzate partendo da molecole semplici (CO2) ed energia luminosa
  • Fotosintetici o fotoautotrofi (es. Cianobatteri)
  • Chemiosintetici o chemoautotrofi
    • ottengono energia dall'ossidazione di molecole inorganiche, come composti di azoto (nitrificanti), di zolfo (solfobatteri), di ferro (ferrobatteri)
• Eterotrofi
  • ottengono energia dall'ossidazione di sostanze organiche complesse prodotte da altri organismi (a qs categoria appartengono i batteri di interesse sanitario)

Struttura dell'ATP

NH2 C N Adenina N C C-H H-C: C N -0 H 1 "0-P-O-P-O-P- L=0 -L=O -L=O -O-CH Ribosio OH OH Adenosina trifosfato (ATP) Figura 3.1 Struttura dell'ATP. Antonelli, Clementi, Pozzi, Rossolini Principi di microbiologia medica - III edizione 978-88-08-18705-5 2017 @ CEA Casa Editrice Ambrosiana N

Metabolismo Eterotrofo

Batteri eterotrofi

• Ottengono l'energia dalla scissione delle molecole organiche
• L'energia viene utilizzata per sintetizzare componenti cellulari
• Il metabolismo eterotrofo comprende due processi principali:
  • la respirazione
  • la fermentazione

Respirazione e Fermentazione

Metabolismo eterotrofo

• Respirazione
  • usa l'ossigeno per l'ossidazione del glucosio: glucosio + 6O2 --> 6CO2 + 6H2O + energia RESPIRAZIONE: Ossidazione completa del substrato organico
• Fermentazione
  • l'accettore finale degli elettroni o dell'idrogeno è un composto organico (al posto dell'ossigeno)
  • l'ossidazione del glucosio è incompleta, si produce meno energia
  • il tipo di ossidazione del piruvato (derivato dal glucosio) è una caratteristica biochimica che distingue i batteri fra loro
• 'Respirazione' anaerobia
  • usa accettori finali di elettroni per l'ossidazione del glucosio diversi da O2: CO2, nitrati, solfati

Classificazione Batterica in Base all'Ossigeno

AEROBI OBBLIGATI AEROBI O ANAEROBI FACOLTATIVI MICROAEROFILI Esigono ossigeno alla pressione atmosferica Si moltiplicano sia in presenza che in assenza di ossigeno Esigono una tensione di ossigeno inferiore a quella atmosferica ANAEROBI OBBLIGATI Si moltiplicano solo in assenza di ossigeno, 'respirazione' anaerobia

Tipi di Fermentazione

Fermentazione Tipi di fermentazione

• Lattica porta alla formazione di acido lattico es. Streptococchi, Lactobacilli
• Alcolica porta alla formazione di alcol etilico
• Formica detta anche acido-mista, tipica degli Enterobatteri

Vie Fermentative Specifiche

Generi di Batteri diversi utilizzano specifiche vie fermentative Tipi di fermentazione

• Lattica porta alla formazione di acido lattico es. Streptococchi, Lactobacilli
• Alcolica porta alla formazione di alcol etilico
• Formica detta anche acido-mista, tipica degli Enterobatteri

Glucosio CO2 Lattato Piruvato 2,3-Butilenglicole CO2 Propionato Etanolo CO2 Formiato Acetato Butirrato CO2 H2

Fasi della Crescita Batterica

Fasi della crescita Latenza Esponenziale Stazionaria Morte 9,0 1,0 Conta vitale 0,75 8,0 0,50 Torbidità (densità ottica) Densità ottica 7,0 0,25 6,0 5,0 0,1 Tempo G. Antonelli, M. Clementi, G. Pozzi, G.M.Rossolini Principi di Microbiologia Medica Copyright 2008 C.E.A. Casa Editrice Ambrosiana Log10 or ganismi vitali/mL

Riproduzione Batterica

RIPRODUZIONE Riproduzione asessuata SCISSIONE BINARIA .Cellula madre- 2 cellule figlie (crescita con aumento esponenziale) ·Tempo di riproduzione da pochi minuti ad alcuni giorni · Separazione completa ·Separazione incompleta (catene, grappoli, palizzate, ecc.) Cromosoma Membrana Parete

Morfologia Cellula Batterica

MORFOLOGIA CELLULA BATTERICA Forma Sferica (cocchi) Cilindrica/bastoncellare (bacilli) Curvata (vibrioni, spirilli)

Morfologia Batterica: Cocchi

MORFOLOGIA BATTERICA (COCCHI) COCCHI SINGOLI SARCINE DIPLOCOCCHI STREPTOCOCCHI TETRADI STAFILOCOCCHI

Morfologia Batterica: Stafilococchi e Streptococchi

MORFOLOGIA BATTERICA STAFILOCOCCHI STREPTOCOCCHI

Morfologia Batterica: Bacilli

MORFOLOGIA BATTERICA (BACILLI) BACILLI COCCOBACILLI DIPLOBACILLI STREPTOBACILLI

Esempi di Morfologia Batterica

MORFOLOGIA BATTERICA ESEMPI COCCHI STREPTOCOCCHI STAFILOCOCCHI BACILLI E. COLI S. TYPHI SPIRILLI TREPONEMA PALLIDUM V. CHOLERAE

Moltiplicazione Batterica

MOLTIPLICAZIONE SCISSIONE ·Cellula madre 2 cellule figlie · Separazione completa ·Separazione incompleta (catene, grappoli, palizzate, ecc.) GEMMAZIONE Produzione di protuberanze che si staccano dalla cellula madre SPORIFICAZIONE Spore: forma di resistenza (a numerosi agenti fisici e chimici) caratterizzata dall'assenza di ogni attività metabolica (es. Clostridium tetani, C. botulinum). In condizioni favorevoli: GERMINAZIONE (passaggio alla forma vegetativa).

Spore Batteriche

SPORE Spore: forma di resistenza caratterizzata dall'assenza di ogni attività metabolica. Numerose specie batteriche sono in grado di produrre spore (sporigene) Elevata resistenza a ALTE TEMPERATURE (es C botulinum 330min a 100 C) RADIAZIONI UV Rivestimento Corteccia Esosporio DISIDRATAZIONE e INVECCHIAMENTO Core DISINFETTANTI DNA Ribosomi TERMORESISTENZA: DISIDRATAZIONE MINERALIZZAZIONE In condizioni favorevoli si ha GERMINAZIONE della spora e passaggio alla forma vegetativa.

Caratteristiche delle Spore Batteriche

Caratteristiche delle spore

• Si formano soltanto in carenza di nutrienti. Si ha sporogenesi nell'ambiente esterno o quando i fattori necrotici limitano l'accesso dei nutrienti (gangrena). Le spore generalmente non si formano nel sito di infezione, dove la concentrazione dei nutrienti non è limitante.
• Gli antibiotici sono inefficaci nei confronti delle spore.
• Sopravvivono per molti anni nel terreno e su oggetti inanimati. Ferite sporche di terra possono essere contaminate con spore prodotte da Clostridium tetani (tetano) e C. perfringens (gangrena gassosa).
• Possono essere aerotrasportate; prodotte da microrganismi causa di malattie ad elevata mortalità (antrace).

Impiego di spore di B. anthracis per scopi bioterroristici.

Genetica Batterica

GENETICA BATTERICA Trasferimento genico orizzontale fra batteri: Trasformazione Coniugazione Trasduzione

Trasformazione Batterica

TRASFORMAZIONE (b) Transformation BL B € B b B 2 A a Cell lysis A Recombination C Fragment taken up by new bacterium a C Free DNA fragments

• Acquisizione di DNA libero rilasciato da altre cellule batteriche
• COMPETENZA: una condizione transitoria di una popolazione batterica, durante la quale le cellule hanno la capacita' di assumere DNA eterologo dall'esterno. Batteri competenti: sia Gram+ (Bacillus/Streptococcus) sia Gram- (Neisseria Haemophilus)arar

Coniugazione Batterica

Coniugazione Coniugazione: modalità di trasmissione di informazioni genetiche fra due cellule. Avviene tramite i pili coniugativi, anche detti pili F (F = fertilità) 1 Una cellula F+ e una F" stabiliscono un contatto e formano un ponte citoplasmatico. Plasmide F( CELLULA F+ CELLULA F 2 Un filamento del plasmide è intaccato. 3 L'allungamento del filamento al terminale 3' sposta il terminale 5' nel ponte. 4 Il filamento singolo è tagliato dopo il trasferimento di un cerchio completo. Allo stesso tempo, nella cellula F" è sintetizzato il filamento complementare del plasmide. 5 Le estremità vengono unite così da ripristinare la configurazione circolare del doppio filamento. CELLULA F+ CELLULA F

Trasduzione Batterica

TRASDUZIONE La trasduzione e' il trasferimento di materiale genetico da un batterio donatore ad un batterio ricevente mediante un vettore virale, il batteriofago.

Batteriofagi

BATTERIOFAGI

• IL BATTERIOFAGO E' UN VIRUS CHE SI REPLICA ALL'INTERNO DI UNA CELLULA BATTERICA SECONDO IL TIPO DI FAGO, L'ACIDO NUCLEICO PUO' ESSERE A DNA O RNA, DOPPIO O SINGOLO FILAMENTO
• I FAGI SONO CLASSIFICATI COME VIRULENTI (solo ciclo litico) O TEMPERATI (ciclo litico oppure lisogenico che comprende l'integrazione degli acidi nucleici del batteriofago nel genoma del batterio ospite, creanti un profago)

Replicazione dei Batteriofagi

1 Attacco del fago al recettore di superficie cellulare -Batteriofago 45 0 I 15- 30 O MINUT! Parete cellulare del batterio 2 Inoculazione del DNA fagico nella cellula DNA 45 15 30 MINUTO 3 Sintesi del nuovo DNA fagico e delle proteine fagiche 45 15 30 10 MINUT! Proteine fagiche 4 Assemblaggio delle nuove particelle fagiche 45 15- 30 35 MINUT Particella del fago completa 5 Lisi della cellula e rilascio dei fagi progenie 0 45 15 30 GO MINUT REPLICAZIONE DEI BATTERIOFAGI (ciclo litico)

Tipi di Trasduzione

TRASDUZIONE A TRASDUZIONE GENERALIZZATA B TRASDUZIONE SPECIALIZZATA € + Fago infettante Cromosoma batterico a+ DNA del fago Replicazione fagica e frammentazione del DNA batterico "(a+ = qualsiasi gene batterico). Normale escissione del profago. La rara escissione anomala del profago assume il gene s+ adiacente (s+ = gene batterico speciale). DNA fagico a s s+ Lisi Lisi st 9+ Questi sono fagi normali, non trasducenti. Questo fago raro, che ha accidentalmente accumulato il gene a+, può trasdurre una cellula a- in una cellula a+. Questi sono fagi normali, non trasducenti. Questi fagi, che trasportano il gene s+, possono trasdurre una cellula s- in una cellula s+ D Lisi Induzione da UV Profago integrato s+

Emergenza di Batteri Patogeni e Resistenti

Meccanismi con cui possono emergere batteri patogeni o antibiotico-resistenti a mechanisms of horizontal gene transfer b transformation plasmid ICE bacteriophage PAI conjugation commensal transposon membrane vesicles transduction pathogenic From: S. ALMAGRO-MORENO American Scientist 2022

Farmaci Antibatterici

Farmaci antibatterici Un farmaco antibatterico (antibiotico o chemioterapico) è un farmaco in grado di inibire selettivamente in modo temporaneo o definitivo la crescita batterica. L'azione di un antibatterico può consistere in: una inibizione temporanea della crescita delle cellule batteriche sensibili: ATTIVITA' BATTERIOSTATICA una inibizione definitiva della crescita della cellule batteriche sensibili: ATTIVITA' BATTERICIDA

Antibiotici: Origine e Classi

Antibiotico è un antimicrobico di origine naturale, derivato da sostanze prodotte da batteri o funghi. I primi antibiotici: penicilline e cefalosporine R H 1 N S O N O penicillina OH O 2 H R H N S I beta-lattamici sono antibiotici, che hanno in comune il nucleo centrale : l'anello beta-lattamico O N R1 cefalosporina 2 `OH 1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 Nei beta-lattamici troviamo quattro classi le penicilline, le cefalosporine, i carbapenemi e i monobattami. Penicillin (1928). Fleming Cefalosporin (1945) H

Antibiotici che Agiscono sulla Parete Cellulare

Antibiotici che agiscono sulla sintesi della parete cellulare Poiché il peptidoglicano della parete cellulare batterica non è presente nelle cellule umane, esso rappresenta un bersaglio ideale per l'antibiotico terapia CH„OH CH„OH OH 0 -0 OH 0 H HO H HN-COCH2 0 HN-COCH3 HC-CH 3 N-Acetilmuramico NH HC-CH3 L-Alanina C=0 NH HC-COOH CH 2 CH 2 D-Glutámico C=0 NH m-Diaminopimelico NH 2 HC-(CH2) CH COOH C=0 3 NH HC-COOH D-Alanina CH 3 N-Acetilglucosamina C=0

Antibiotici: Sintesi del Peptidoglicano e Membrana

Antibiotici che inbiscono la sintesi del peptidoglicano della parete cellulare betalattamine fosfomicina cicloserina teicoplanina vancomicina ramoplanina bacitracina Antibiotici che alterano struttura e funzione della membrana batterica gramicidina polimixine tirocidina