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Lezione 11
Capacità invasiva di alcuni batteri patogeni
Alcuni batteri patogeni producono delle sostanze proteiche che possono essere considerate delle esotossine, anche se sono accumulazioni meno specifiche, ma permettono ai batteri di allontanarsi dal sito iniziale di colonizzazione (cioè dalla via di penetrazione che hanno con l’ospite, dove iniziano a replicarsi/a colonizzare) e andare nei tessuti sottostanti; quindi queste invasine sono sostanze che consentono ai batteri di invadere un organismo. L’ obiettivo è quello di arrivare al circolo sanguigno (anche se non ci riescono) dove possono disseminarsi e causare prima di tutto una batteriemia (cioè infezione del sangue) e successivamente anche la setticemia (cioè danno ai vari organi e morte del soggetto). Le invasine sono di 2 nature per quanto riguarda il meccanismo di azione:
- Enzimi idrolitici : a. Ialuronidasi , cioè quell’enzima che è in grado di demolire l’acido ialuronico, l’acido ialuronico è un legante tra le cellule del tessuto connettivo per esempio. b. Chinasi , consentono ai batteri, una volta che sono entrati nella ferita, di invadere il torrente circolatorio perché demoliscono una tipica difesa dell’ospite, cioè la formazione di coaguli (es: Streptococco pyogenes ). c. Coagulasi , quel tipo di enzima, che viene prodotto da Stafilococco aureus, che ha un effetto opposto sul sangue rispetto alle chinasi, cioè crea dei microcoaguli sulla superficie della cellula batterica. È comunque considerata una invasina perché in questo modo i batteri all’interno del coagulo possono replicarsi n volte e quindi rafforzare il proprio fronte di attacco per poi, usando le chinasi, avanzare nell’invasione dell’ospite. d. Collagenasi , che demoliscono il collagene (il collagene lo troviamo nelle ossa, cartilagini, a livello della cute). e. Lecitinasi , idrolizzano la lecitina che è un tipico componente delle nostre membrane cellulari e quindi provocano danno alle membrane, le cellule muoiono e i batteri possono avanzare. f. Leucocidine , sostanze tipicamente prodotte da Stafilococco aureus , che hanno un’azione apoptotica sui macrofagi (la prima barriera di difesa che incontrerebbero tentando di invadere l’ospite a livello dei tessuti).
- Sostanze proteiche che inducono una “ fagocitosi forzata ” praticamente costringono le nostre cellule del corpo ha internalizzare al loro interno i patogeni: liberano queste invasine che a contatto con le nostre cellule penetrano all’interno della cellula e determinano un fenomeno che viene chiamato “polimerizzazione dell’actina”, in questo modo le cellule che subiscono questo processo si comportano come se fossero dei macrofagi (a differenza che i macrofagi, una volta internalizzato la cellula batterica, la demoliscono, mentre queste cellule fagocitano il batterio e questo rimane protetto dalla cellula). Queste sostanze sono considerate delle invasine perché poi le cellule (trasformate in “macrofagi”) rilasciano il batterio in vescicole nei tessuti sottostanti (es: Neisseria meningitidis e Neisserie gonorrhoeae: il primo, quando penetra nell’ospite, di solito colonizza le mucose delle vie aree; la seconda invece, essendo un agente di trasmissione di malattia a trasmissione sessuale, quindi colonizza mucose genito-urinaria). Ricordando che l’obiettivo finale è quello di arrivare al circolo sanguigno, ma che non sempre ci riescono.
MICOBATTERI
Se li osservo al microscopio si presentano come dei bacilletti, sono batteri non dotati di flagello (quindi sono immobili, non si muovono), non sono sporigeni e sono degli aerobi-anaerobi facoltativi. A volte ci sono diversi micobatteri ambientali e non solo che danno una crescita ramificata. I micobatteri li ricordiamo per la loro parete ; la parete è la loro caratteristica peculiare, è più complessa rispetto a quella che abbiamo visto per gli altri batteri. La prima cosa che si nota guardandola al microscopio elettronico è che è una struttura insolitamente spessa rispetto agli altri batteri ed è pluristratificata: ha una parte più interna che viene chiamata “ strato basale ” di natura polisaccaridica, e uno strato più esterno (uno strato verso l’ambiente extracellulare) che è di natura lipidica e ricca anche di componenti cerose, tant’è che la parete dei micobatteri è molto difficile da colorare e altrettanto difficile la decolorare, infatti quando si parla dei micobatteri li si accompagna l’acronimo AAR che significa acido-alcol resistenti perché deriva da un tipo di colorazione che si fa per evidenziarli (colorazione di Ziehl-Neelsen): quando devo decolorarli uso una miscela di alcol e acido (alcol etilico + acido solforico), ovviamente i micobatteri sono gli unici batteri che non si decolorano (se ci fossero in ballo dei contaminanti allora si decolorerebbero). La parete dei micobatteri presenta una struttura simil membranacea proprio nella parte esterna (quella di natura lipidica), per questo motivo è stata chiamata MOM ( micobatterium outer membran, cioè membrana più esterna dei micobatteri). La parete dei micobatteri, nonostante sia complessa e soprattutto costituita da componente chimici diversi, ha qualche analogia sia con la parete dei Gram negativi che qualche relativa somiglianza dei Gram positivi: ˗ Il MOM ha uno spessore che è sovrapponibile come spessore alla membrana citoplasmatica, ma a differenza della membrana citoplasmatica che è una struttura simmetrica, questa è una struttura asimmetrica perché è
Sempre a livello metabolico, una struttura così complessa determina anche una minor efficacia del nostro sistema immunitario nell’eliminare e radicare il microrganismo, gli effettori della risposta aspecifica non funzionano bene (resistenza alle proteine del complemento, non riescono a portare la lisi osmotica del batterio, e resistenza ai macrofagi, anzi si riproducono dentro la cellula stessa). I micobatteri possono essere divisi in 2 categorie:
- A lenta crescita: patogeni franchi (cioè quelli obbligati), patogeni opportunisti.
- A rapida crescita: qualche volta dei commensali, saprofiti del suolo (micobatteri ambientali); raramente inducono a infezioni di tipo opportunistico. La differenza è il tempo di duplicazione. Dal punto di vista tassonomico invece vanno considerare specie importanti. Ad oggi sono state isolate 130 specie differenti di micobatteri ce hanno ruoli differenti. Commensali (sono sul nostro organismo ma non ci fanno niente) M. smegmatis (anche se qualche problemino nell’uomo può darlo perché spesso è un segno di scarsa igiene nell’uomo: produce delle secrezioni biancastre a livello genitale e può richiamare patogeni opportunisti o anche patogeni franchi). Patogeni franchi MTBC = M. tuberculosis complex: o M. tuberculosis o M. africanum o M. canetti o M. bovis o M. microti Sono tutti agenti della malattia Tubercolosi, ma agiscono in modo diverso o nell’uomo o negli animali; si è visto però che sono tutti subspecie che presentano un’elevata omologia (cioè un’elevata somiglianza) a livello dei nucleotidi, cioè il genoma è sovrapponibile, cambia solo la dimensione, per questo tutte queste subspecie sono state raggruppate in una specie sola. Quello con il genoma più grande (quello più completo) è M. tuberculosis , gli altri gli assomigliano molto, solo che sono leggermente più piccoli ( M. africanum e canetti sono quelli che gli assomigliano di più e causano Tubercolosi nell’uomo; un po’ più piccolo ma stessa struttura generale è M. bovis che causa Tubercolosi nei mammiferi e qualche volta riesce a causarla nell’uomo; più piccola ancora è M. microti che è capace di causare la Tubercolosi solo nei piccoli roditori). MOTT = Mycobacterium other than tuberculosis: Quei micobatteri diversi dagli agenti della tubercolosi ma che possono causare patologie nell’uomo, infezioni di altro tipo rispetto alla tubercolosi ( micobatteri opportunisti ). M. leprae: Agente eziologico della lebbra.
M. tuberculosis :
Come fa questo micobatterio a causare la malattia della Tubercolosi e quali sono le problematiche tipiche? Sono collegate sia caratteristiche strutturali/antigeniche (gli antigeni della parete) piuttosto che caratteristiche metaboliche (prodotti che liberano questi microrganismi all’interno del nostro organismo): i componenti della parete sono a tutti gli effetti delle tossine, sono dei componenti tossici, in più i micobatteri sono in grado di sopravvivere dentro ai macrofagi, e come possono farlo? Attraverso 2 strategie: ~ Una volta che sono stati internalizzati dal macrofago, rilasciano proteine che bucano letteralmente la membrana del fagolisosoma, per cui tutte le sostanze anti-microbiche, che di solito sono versate all’interno di questa vescicola, se ne vanno.
~ Producono un altro tipo di enzima che si chiama superossido dismutasi che inattiva i radicali liberi dell’ossigeno (che normalmente nel fagolisosoma hanno un’azione microbicida) questo rende il macrofago un ambiente “abitabile” per potersi riprodurre al suo interno (infatti i micobatteri della tubercolisi sono in grado di replicarsi sia a livello extracellulare che a livello intracellulare). In più c’è anche il fattore TDM (ovvero il fattore cordale ). Dal punto di vista chimico il fattore cordale è costituito da acidi micolici combinati con vari zuccheri (gli arabinogalattani per esempio), è una sostanza che ha proprietà tensioattive e l’effetto che ha quando viene prodotta da questi batteri è quella di far sì che i vari bacilletti si aggreghino con questo tipo di struttura: Sembra una fune intrecciata (ecco perché si chiama fattore “cordale”); perché è così importante? Perché è un fattore di patogenicità notevole dei micobatteri: quando sono così intrecciati innanzitutto sono protetti dall’azione degli effettori del SI e poi ha una potente azione infiammatoria (difficile da eliminare). Si è visto che il fattore cordale combinato con il rilascio di altre sostanze (acidi micolici per esempio) provoca i cosiddetti granulomi (i tubercoli): Cosa succede quando mi ammalo di tubercolosi? Si formano appunto i tubercoli, ma come? Un soggetto si ammala tipicamente se viene a contato con una persona che ha la cosiddetta “tubercolosi aperta” (tubercolosi attiva): vuol dire ce il soggetto continua a emettere bacilli virulenti (parlando o tossendo, o anche semplicemente con i dropples).
Dopo la diagnosi si parla di vaccini. Nel 1920, grazie all’utilizzo della patata è stato possibile fare l’unico vaccino ancora attualmente utilizzato contro questa malattia (per questo dobbiamo ringraziare due scienziati, Calmette e Guérin , che furono due allievi di Pasteur). Adesso si stanno mettendo a punto altri vaccini, come per esempio il cosiddetto “vaccino a subunità”, cioè vaccini contenenti magari antigeni di superficie (sempre di M. tuberculosis ) combinati con sostanze adiuvanti, proprio per stimolare meglio il sistema immunitario. Oppure il vaccino ufficiale (Calmette-Guérin) combinato e ricombinato geneticamente sempre con antigeni di M. tuberculosis , sempre per renderlo più efficacie nel nostro SI. TERAPIA Come si cura la tubercolosi? È una polichemioterapia: si usano vari principi attivi messi insieme (Si usano farmaci di prima linea se non ci sono ceppi resistenti).
M. leprae:
Agente eziologico della Lebbra, detto anche bacillo di Hansen (fu lui il primo ad isolare questo bacillo nel 1873 da un paziente).
Caratteristiche : classico micobatterio AAR (cioè risponde bene alla colorazione di Ziehl-Neelsen), sempre forma
bacillare, differisce da M. tuberculosis perché ha un genoma più piccolo, quindi è meno efficiente dal punto di vista patogenetico, infatti si è visto che M. tuberculosis cresce all’interno ed all’esterno della cellula (sia intra che extracellulare) e M. leprae invece è un intracellulare obbligato , cioè non riesco a coltivarlo in piastra, lo devo per forza coltivare in cellule. Quali sono le cellule preferite del nostro organismo? Ad esempio le cellule di Schwann , che sono le cellule a livello delle terminazioni gliali/a livello gliale, infatti uno dei sintomi della Lebbra è proprio la ipoestesia , cioè la perdita di sensibilità a livello nervoso/delle terminazioni nervose. Può replicarsi tranquillamente anche nei macrofagi oltre che nelle cellule del sistema nervoso. Due sono le tipiche forme della Lebbra:
- Lebbra tubercolare la forma tubercolare è meno invasiva e contagiosa, e soprattutto meno invalidante. Si formano dei granuli tipicamente sulla pelle che poi progressivamente si riassorbono lasciando poi le zone come pigmentate, che sono zone in cui si perde la sensibilità (è un sintomo tipico). Fortunatamente, nella forma tubercolare, il nostro SI è molto efficiente nel contenere l’infezione e nel giro di 6 mesi con una terapia antibiotica efficace si risolve il problema.
- Lebbra lepromatosa estremamente invalidante (alla fine si perdono dei pezzi di corpo) e può portare alla morte, è progressiva. Colpisce tipicamente le parti fredde del nostro corpo: gli arti piuttosto che il viso. Questi granuli quindi lasciano poi lesioni, è molto contagiosa perché il SI non riesce a contenere la replicazione cellulare. Se si prende in tempo, anche la forma lepromatosa si può curare, però ci vogliono almeno 2 anni con una terapia antibiotica efficace.
Diagnosi clinica : non possono coltivarlo su un terreno sintetico (terreno abiotico), quindi posso fare o una diagnosi
basandomi su una valutazione di tipo clinico (vedo se ci sono lesioni tipico o se ci sono problemi a livello di sensibilità a livello nervoso), oppure posso verificarlo usando una cavia (topo o armadilli): inoculo i bacili che si isolano dalla lesione del paziente e dopo qualche tempo vado a vedere se si formano i noduli. L’unico problema della lebbra è che è molto molto lunga da replicarsi (dai 12 ai 20 gg minimo), è altrettante lento poi il tempo di incubazione (mediamente da 1 a 5 anni, dal contatto con il paziente, ma c’è stata gente che ha sviluppato la malattia anche dopo 30 anni) infatti la virulenza è molto bassa di questi batteri.
Lezione 12 Bacillo di Koch: agente della tubercolosi Bacillo di Hansen: agente della lebbra ( M. leprae ) Bacillo di Calmette-Guérin: hanno isolato da un mammifero il M. bovis , lo hanno progressivamente indebolito su terreni a base di patata e con il tempo hanno perso sequenze genomiche importanti per la patogenicità e quindi è diventato incapace di dar luogo alla malattia. Sono tutti micobatteri , quindi appartengono tutti ad un genere microbico specifico; dal punto di vista metabolico però M. tuberculosis e M. leprae sono diversi, perché il primo è un agente capace di riprodursi sia all’interno che all’esterno della cellula (patogeno intra ed extracellulare), invece il bacillo di Hansen è in grado solo di replicarsi all’interno di cellule (patogeno intracellulare obbligato, questo perché ha un genoma più piccolo rispetto al tuberculosis ), cellule di Schwann, o altre cellule neurali, o anche all’interno degli effettori delle difese costitutive (tipo macrofagi). Bacillo di Buruli Mycobacterium ulcerans (batteri mangia carne).
M. ulcerans:
È un micobatterio non tubercolare a lenta crescita (tempo di duplicazione di 10-14 gg mediamente), l’ospite può essere l’uomo ma i serbatoi tipici sono l’acqua e il suolo (tipico batterio ambientale), ha una T di incubazione ottimale che è intorno a 33-34 °C e causa la cosiddetta infezione di Buruli. Per ammalarsi basta avere dei tagli, anche molto piccoli, e toccare un qualcosa di contaminato da questo batterio, e questo può replicarsi sia all’interno delle cellule che esternamente, ma preferisce duplicarsi esternamente alle cellule e il suo meccanismo di patogenicità è rilasciare una particolare sostanza, una tossina diciamo, che prende il nome di micolattone (sostanza polichetonica). Quando questo batterio rilascia all’interno delle nostre cellule il micolattone, esso ha un’azione apoptotica, non solo sulla cellula in cui è penetrato ma anche nelle cellule vicine. Quando questo batterio penetra all’interno di una ferita determina una degenerazione progressiva dei tessuti a partire dai tessuti superficiali (predilige i tessuti grassi) ma riesce ad arrivare anche fino alle ossa. Si può intervenire con gli antibiotici, ma deve essere un intervento tempestivo, altrimenti l’unica soluzione è l’ablazione chirurgica (amputazione dell’arto). Mycobacterium ulcerans è un tipico esponente dei MOTT, cioè quei micobatteri diversi dai tubercolari; le caratteristiche tipiche di questo gruppo sono: ˗ Tutti batteri ambientali principalmente, a lente crescita. ˗ Provocano sì infezioni in soggetti immunocompetenti, ma hanno un maggior impatto in soggetti immunodepressi (anziani, ma anche per patologie concomitanti, tipo se un soggetto ha già avuto la tubercolosi è più suscettibile alle infezioni da micobatteri non tubercolari). Un esempio, oltre a M. ulcerans, è Mycobacterium avium che è la prima causa di morte nei pazienti affetti da AIDS. o Infezioni polmonari o Infezioni disseminate se il soggetto è poco reattivo dal punto di vista immunitario, quindi può entrare nel circolo ematico e attaccare varie parti dell’ospite. o Concausa del Morbo di Crohn (forma delle ustioni ulcerative a livello dell’intestino), perché si è visto che nella mucosa intestinale di un paziente affetto da questo morbo è stato isolato M. avium (che ovviamente non è un commensale per il nostro organismo, quindi si pensa che centri qualcosa). Fine argomento micobatteri
Appendici cellulari
Le appendici cellulari sono dei componenti accessori, cioè non sono fondamentali per la vita di un microrganismo, ma sono strategicamente importanti per il suo adattamento ma anche per indurre la patogenicità nell’ospite. differiscono per dimensione, funzione e composizione; sono le 3 le appendici cellulari scrivibili per un batterio: Fimbrie , Pili e Flagelli.
- Coduzione (un fenomeno che non avviene spessissimo), cioè quando il plasmide F coniugativo si integra con il cromosoma della cellula, in questo modo può trasferire sequenze di geni molto estese da una cellula ad un’altra (possono trasferire anche l’intero genoma in rarissimi casi), questi ceppi particolari vengono detti “ceppi HFR” (= ad alta frequenza di ricombinazione). Fimbrie e Pili sono una specificità sono dei Gram -; la Coniugazione però può avvenire ance tra i Gram +, che non possono sintetizzare il pilo, ma in questo caso la coniugazione avviene perché, se usiamo un paragone umano, è la cellula accettrice/femmina a farsi avanti/bella perché rilascia all’esterno dei particolari peptidi che si chiamano Feromoni che stimola le cellule donatrici, se sono in zona, non a produrre il pilo perché non sono in grado ma a produrre una sostanza aggregante sulla propria superficie (una sorta di colla); grazie a questa sostanza aggregante, le due cellule possono arrivare in intimo contatto, una volta che sono in intimo contatto succede la stessa cosa con i Gram negativi (il passaggio di geni). Quindi la Coniugazione nei Gram negativi avviene tramite pilo sessuale, nei Gram positivi tramite feromoni.
Trasduzione:
C’è un terzo tipo di scambio genetico (cioè che permette il passaggio di geni da una cellula ad un’altra), oltre alla Coniugazione e alla Trasformazione, che la Trasduzione. In questo caso l’attore principale, cioè quello che permette lo scambio di geni, sono dei virus batterici chiamati “batteriofagi” (o anche solo fagi, sono i vettori che trasferiscono sequenze di genoma batterico da una cellula ad un’altra); in questo caso è il batteriofago che infettando la cellula induce la rottura del genoma interno (oltre che del nucleo) e quando si replicano le particelle virali possono incamerare i pezzettini di genoma che si sono generati all’interno della cellula stessa, e quindi una volta che poi questi escono dalla cellula morta si dirigono ad infettarne un’altra. Dobbiamo tener conte che non sempre il batteriofago, quando infetta le cellule, le porta alla morte, ecco perché è importante come “scambio genetico” e quindi potrebbe conferirgli resistenza agli antibiotici piuttosto che altro. Dei 3 meccanismi, Coniugazione, Trasformazione e Trasduzione, qual è il più efficace? Che porta sicuramente ad una ricombinazione del genoma della cellula ricevente con pezzi di DNA di un’altra cellula. La Coniugazione , perché non comporta la rottura della cellula e soprattutto il DNA non viene mai all’esterno della cellula.
Variazione antigenica
La variazione antigenica è la capacità di alcuni batteri di esprimere e di elaborare versione differenti dei determinanti di superficie, cioè dei componenti antigenici che ha sulla superficie della parete cellulare; detto in maniera più semplice, è la capacità di questi patogeni, se hanno le fimbrie ad esempio, di esprimerle piuttosto che no. Variazione di fase di fimbrie si parla di fase Fim+^ e fase Fim-^ quando il batterio ha o meno in superficie questo tipo di appendice (anche con i pili ovviamente). Fase Fim+ : colonizzazione Fase Fim- : ostacola fagociti Il batterio usa le fimbrie per aderire alla superficie, quindi nella prima fase con l’interazione con l’ospite (ovvero appunto la “colonizzazione”). Una volta colonizzato, il nostro SI si attiva e quindi il batterio, per non essere catturato ed eliminato, deve mimetizzarsi il più possibile, e allora cosa fa? Si toglie quegli antigeni che sono facilmente riconoscibili, quindi le fimbrie se ne vanno fase Fim- : in questo modo il fagocita/il macrofago di turno fa più fatica a riconoscerlo.
FLAGELLI
L’organulo/organello responsabile del movimento; lunghe appendici proteiche (10-12 micrometri, ma possono anche arrivare i casi rari a 20 micrometri). Pur essendo così lunghi sono molto sottili (10-12 nm), hanno un diametro che non ci consente di guardarli al microscopio ottico, però anche se utilizzo un microscopio ottico si può lo stesso intuire la presenza di flagelli o meno, in quanto i batteri non sono flagellati si muovono in maniera caotica nella sospensione della goccia sul vetrino, i batteri flagellati invece sembra che seguano delle linee precise di percorso. Ma se comunque voglio vedere i flagelli al microscopio ottico invece che quello elettronico posso usare il cosiddetto “ metodo Grey ” (o meglio “ metodo Leifson-Grey ”), è un metodo che serve a colorare ad evidenziare i flagelli sulla struttura di un batterio: si tratta la sospensione che sospetto essere fatta da batteri flagellati con acido tannico e allume di potassio, e utilizzo come colorante di contrasto ad esempio la fuxina basica (o la panarosa anelina); questo metodo mi permette di vedere i flagelli al microscopio ottico perché va ad inspessire il flagello e quindi lo posso percepire.
Importante : i flagelli sono l’unico tipo di appendice presente sia sui Gram positivi che sui Gram negativi.
Studiando la presenza e la posizione dei flagelli posso poi dare ulteriori informazioni tassonomiche utili per indentificare i batteri: ˗ Atrichi ˗ Monotrichi ˗ Lofotrichi a seconda di dove stanno i flagelli ˗ Anfitrichi ˗ Peritrichi Atrichi = senza flagelli Monotrichi = un solo flagello ( Pseudomonas aeruginosa ) Lofotrichi = ciuffo di flagelli sempre in posizione polare ( Spirillum minor ; Pirococcus furiosus ) Anfitrichi = flagelli da entrambi i poli della cellula Peritrichi = flagelli tutti attorno al perimetro cellulare
Flagello dei Gram negativi: Anello M e S che poggiano sulla membrana citoplasmatica, appena subito i peptidoglicano Anello P che poggia sullo strato del peptidoglicano Anello L , quello più alto, che poggia sulla membrana esterna Nei Gram + invece ci sono solo i primi due anelli, l’anello M e l’anello S. Come si muove un flagello? Il flagello fa spostare la cellula perché ruota, ma come fa ha ruotare il filamento? È tutto concentrato nel corpo basale prendiamo per esempio il flagello dei Gram negativi: sono 4 anelli, i primi due, M e S, sono i veri e propri responsabili del movimento (perché ad un certo punto si contraggono, subiscono un processo di torsione e faranno sì che questo processo di torsione si traduca in una rotazione del pezzo superiore, cioè del filamento); gli altri 2 anelli, P e L, sono una sorta di guaine di isolamento, cioè stabilizzano il movimento del flagello stesso (fanno sì che la rotazione dei flagelli non venga dissipata in vibrazioni inutili). Per rotare in basso ci sono delle proteine, proteine Mot (verticali) e proteine Fli (orizzontali): ˗ Le proteine Mot , una volta attivate, agiscono sui 2 anelli (M e S) e quindi gli provocano un effetto di rotazione e di torsione. ˗ Le proteine Fli sono chiamati “invertitori di segnale”, sono quelli che fanno cambiare il senso di rotazione Ma come fanno ha farlo? Quel è il carburante che attiva queste proteine? È la forza protomotrice , cioè quel gradiente di protoni che attraversa la membrana citoplasmatica, va ad interagire con le proteine Mot e una volta attivate queste esercitano una forza elettrostatica di torsione su questi 2 anelli in basso, e di conseguenza attiva tutto il resto.
Come si forma/si sintetizza il flagello?
Si è notato che i battei che producono flagelli hanno dei ribosomi posti vicino alla membrana citoplasmatica, e questi sono le fabbriche delle proteine costituenti le varie parti del flagello: se parliamo sempre dei Gram negativi, prima verranno prodotti i due anelli inferiori, poi quelli superiori che collocandosi dentro la membrana formano una sorta di zona di passaggio/un canale, successivamente all’interno di questo canale passano i componenti della guaina tubulare dell’uncino e infine delle proteine che vengono chiamate proteine Cap (o “proteine cappuccio”), sono un sistema di proteine che coordina la formazione dell’ultimo pezzo di flagello, cioè il filamento, praticamente aiutano le flagelline (che verranno prodotte per ultime) ad autoassemblarsi all’esterno della parete. Una volta che vengono prodotte le flagelline, scivolo nel canale e poi fuoriescono per autoassemblarsi (e riescono a fare questo perché si è visto a livello microscopia elettronica che queste proteine hanno una polarità strutturale, cioè c’è una parte arrotondata e una parte incavata, quindi come se fossero delle tessere di un puzzle).
Perché i flagelli si attivano? CHEMIOTASSI
Uno dei possibili stimoli si chiama Chemiotassi: è tecnicamente un processo di avvicinamento o di allontanamento da una sostanza chimica a seconda se il batterio la ritiene utile o repellente e i batteri riescono a capirlo perché percepisce la comparsa o comunque l’aumento o la riduzione del cosiddetto “gradiente di concentrazione” di questa sostanza tramite delle particolari proteine, ovvero le proteine MCP (sono le proteine chemiotattiche metilaccetrici): sono proteine poste sulla membrana responsabili del cosiddetto trasduzione del segnale, cioè captano la sostanza all’esterno e con una reazione a catena alla fine attivano le proteine motrici poste alla base del flagello. Si parlerà di chemiotassi positiva se il batterio va verso la sostanza, chemiotassi negativa quando si allontana.
Ci sono stadi differenti di un batterio flagellato nell’ambiente. Se il batterio non percepisce niente di particolarmente utile o dannoso ha un tipo di movimento senza una particolare logica, cioè immaginando che il batterio sia pluriflagellato, i flagelli ruotano in senso orario separatamente, quindi la cellula continuerà a capovolgersi (questo fenomeno si chiama tambling ); se poi invece compare una sostanza allora si avrà il cosiddetto fenomeno di running , cioè i flagelli si uniscono insieme e ruotano in senso antiorario e spingono il batterio in una determinata direzione (chemiotassi positiva = verso la sostanza; chemiotassi negativa = lontano dalla sostanza). Posso evidenziare questo fenomeno facilmente in laboratorio: beker, sospensione di batteri flagellati al suo interno e metto un capillare contenente o nessuna sostanza oppure sostanze utili piuttosto che dannose e vedo come i batteri si comportano. Lezione 13 Le proteine MCP hanno interazioni molto specifiche con le sostanze, ad esempio ad oggi per E. coli sono state individuate 5 tipologie di MCP capaci di individuare contemporaneamente sia sostanze utili (zuccheri di vario genere per esempio) sia sostanze repellenti/dannose. Proteine Tar proteine MCP che possono rilevare 2 tipologie di zuccheri, Aspartato e il Maltosio, e contemporaneamente possono rilevare metalli pesanti, come ad esempio il Nichel e il Cobalto (che ovviamente potrebbero avere un’azione tossica nei confronti dei microrganismi).
quando la forza protomotrice attiva le proteine di membrana citoplasmatica, queste iniziano a vibrare e vibrando si muovono solidamente con le proteine a cui sono collegati sulla membrana esterna, e in questo modo la cellula avanza. C’è un ultimo tipo di movimento che si chiama Twitching motility : la motilità per contrazione. Questi batteri producono il pilo di tipo IV che va ad attaccarsi sulla superficie, una volta attaccatosi questo pilo si contrae e trascina la cellula. Il Twitching motility quindi è un alternarsi di fasi di polimerizzazione e depolimerizzazione con la cellula che si sposta (es: P. aeruginosa, lui può quindi usare 2 tipologie di vie di movimento: il flagello – batterio monotrico – quando si deve muovere in un liquido, quando invece si deve muovere su una superfice solida usa il pilo di tipo IV).
Patogenicità dei batteri
Pili, Fimbrie e Flagelli sono un tipico esempio di fattori di patogenicità. Che cos’è la patogenicità? È la capacità di un microrganismo di indurre una malattia; la patogenicità di solito è caratteristico di una specie, ma non vuol dire che ogni membro di quella specie ha la stessa valenza patogena, dipende dai sierotipi, cioè dalla variabilità antigenica che c’è all’interno dello specie; infatti si usa un altro parametro per misurare la patogenicità ed è la virulenza , che è il grado di induzione della malattia (il grado di patogenicità). In base al concetto di patogenicità si distinguono 2 grandi gruppi a livello batterico:
- PATOGENI OBBLIGATI (detti anche “patogeni franchi” o “batteri alloctoni”) Sono quei batteri che nascono, crescono ed evolvono in un ambiente diverso dall’ospite, quindi quando interagiscono con esso inducono una determinata patologia con sintomi chiari e caratteristici.
- PATOGENI OPPORTUNISTI (detti anche “batteri autoctoni”) Sono batteri autoctoni, cioè sono batteri che sono normalmente presenti in noi, sono dei commensali, però inducono una patologia approfittando tipicamente di 2 situazioni: il soggetto ha subito uno stress (fisico o psicologico), oppure si è ferito o ammalato di qualcos’altro, allora il nostro SI abbassa la nostra capacità difensiva e quindi il batterio commensale può scatenare la patologia opportunistica, che non sempre hanno dei sintomi caratteristici. Oppure ad esempio i patogeni opportunisti son quei batteri che cambiano la normale residenza in cui sono nell’ospite, si localizzano in un altro distretto corporeo che non è una loro normale residenza (es: E. coli, a livello urinario è patogeno). Quando si parla di “patogeni” si usano spesso 2 concetti: il concetto di colonizzazione e il concetto di infezione. ˗ Colonizzazione = è la fase prodromica all’infezione: prima un batterio colonizza un ambiente e poi può indurre ad infezione; potrebbe darsi che un batterio patogeno, ovviamente autoctono, può penetrare tramite le
solite vie in un determinato distretto corporeo, ma una volta entrato nel distretto corporeo se on provoca danni a livello cellulare o tissutale ma rimane confinato lì allora si parla di “colonizzazione”, che è la primissima fase dell’interazione con l’ospite, cioè appunto quando il batterio aderisce ad una superfice, non è ancora attivamente metabolizzante e quindi il nostro SI non lo percepisce come un nemico. ˗ Infezione = si passa all’infezione quando il batterio incomincia a replicarsi in maniera molto attiva e quindi di conseguenza attiva il SI perché c’è poi un danno cellulare e tessutale. Dal punto di vista pratico, le infezioni possono essere classificate in base alla localizzazione o in base alla durata.
Localizzazione:
Infezioni superficiali localizzate quando un batterio penetra ed inizia a colonizzare e successivamente, rimanendo nel sito di colonizzazione, inizia a moltiplicarsi in maniera attiva ed a danneggiare l’ospite; sono quindi quelle infezioni in cui non c’è spostamento dal sito di colonizzazione in altri distretti corporei (es: infezioni della cute o delle mucose e anche submucose). Infezioni profonde quando il batterio penetra nei tessuti sottostanti (può succedere per esempio per via iatrogena, cioè per un errore medico/chirurgico), o magari anche per le capacità intrinseche del patogeno, magari è un patogeno che produce le invasine (sostanze che favoriscono la penetrazione a livelli sottostanti, es: nella fascine necrotizzante i batteri che producono invasine). Infezioni sistemiche si parla di infezioni sistemiche quando riguarda tutto l’ospite; batteri che producono tossine che agiscono a livello generalizzato nell’ospite, oppure sono i batteri che provocano infezioni profonde che sono arrivati al circolo ematico e quindi daranno luogo a setticemia.
Durata:
Infezioni acute (infezioni asintomatiche-sintomatiche) infezione che scoppia all’improvviso, ma rapida nella sua evoluzione. Il microrganismo si attiva rapidamente, provoca un danno cellulare, si hanno dei sintomi, ma altrettanto rapidamente le nostre difese adattive riescono a contenere il danno e ad eliminare il microrganismo; quindi è un’infezione limitata nel tempo. Si parla di infezione “asintomatica” se la presenza del microrganismo passa inosservata, cioè il danno che provoca è talmente ridotto che non ce ne accorgiamo, non abbiamo sintomi; oppure si possono avere anche dei sintomi poco chiari, di scarsissima intensità che quindi mi fa pensare che possa essere qualsiasi cosa. Infezioni fulminanti portano alla morte in pochissimi giorni; questo tipo di infezioni dipendono dalle caratteristiche del patogeno ma anche dal nostro SI (es: meningite). Infezioni persistenti il patogeno permane a lungo nell’ospite (dette anche infezioni “croniche”). Il batterio per non essere eliminato dall’ospite usa dei trucchetti, tipo replicarsi all’interno delle cellule (replicazione intracellulare, es: Mycobacterium tuberculosis o leprae ). I virus sono i tipici patogeni intracellulari. Il nostro SI, quando deve interagire con un patogeno intracellulare, fa molta più fatica, lo rileva con meno facilità; un'altra strategia che fa permanere il batterio/virus a lungo nell’ospite è danneggiare la zona dell’ospite difficilmente raggiungibile dagli effettori del SI (es: papilloma virus che provoca verruche sulla pelle). Fasi delle infezioni acute sintomatiche:
- Periodo di incubazione Quel momento in cui il microrganismo è penetrato nell’ospite e, dopo la colonizzazione, ha iniziato a replicarsi, ma il numero di replicazioni è ancora basso per cui c’è ancora un’assenza di sintomi (infatti il “periodo di incubazione” è considerato come il “fase di latenza di ogni sintomo”). È variabile in base alla carica microbica e alle caratteristiche sia dell’ospite che del microrganismo.
- Fase prodromica Successiva all’incubazione. È praticamente la fase della sofferenza dell’ospite, l’ospite inizia ad avere dei sintomi che però non sono chiari, non sono sintomi caratteristici di una specie microbica piuttosto che di un’altra, sono sintomi comuni.
In base alla posizione: Proteine integrali proteina che attraversa la membrana, difficilmente rimovibili (funzione strutturale). Proteine periferiche superiori o inferiori, sono facilmente rimovibili, hanno funzione enzimatica. In base alla funzione: Trasportatori di membrana Proteine strutturali Proteine enzimatiche es: proteine MCP; enzimi di membrana È importante sottolineare un aspetto dei batteri; se guardo al microscopio elettronico la membrana citoplasmatica vedrò, soprattutto nei Gram positivi perché si vede/appare meglio, una o più invaginazioni che vengono chiamate Mesosomi (si vedono meglio nei Gram positivi per una questione di peptidoglicano perché è più spesso ed essendo più spesso fa sì che queste invaginazioni siano più marcate). I mesosomi si possono trovare in prossimità della parte centrale della cellula batterica quando si sta duplicando, o in prossimità del nucleoide, ma a volte anche ai lati, cioè ai poli della cellula, o comunque nella zona centrale della cellula. I mesosomi sembrano un’associazione di tubuli e lamelle e hanno diverse tipologie di funzioni: ˗ “Mesosomi settali”, cioè sono quei mesosomi a cui si ancora il cromosoma batterico durante la duplicazione, quindi il mesosoma offre un punto in cui i due genomi che si sono appena formati possono staccarsi agevolmente, quindi favorisce la separazione delle 2 molecole di DNA. Si chiama “settale” perché poi il mesosoma fornisce il punto di penetrazione dove viene formato il setto di parete nuova che dividerà poi la cellula in due. ˗ “Mesosomi respiratori”, perché si è visto che la quota parte di citocromi è molto consistente a livello dei mesosomi (citocromi = sono proteine chiamate “trasportatrici di elettroni”, permettono l’utilizzo dell’ossigeno a livello cellulare). ˗ “Mesosomi biosintetici”, sono quei mesosomi molto ricchi di proteine con proprietà enzimatica (es: quelle che processano la parete cellulare).
Funzioni della membrana citoplasmatica:
Barriera osmotica , perché esercita una permeabilità selettiva. Sede dei meccanismi di trasporto attivo , permette quindi l’internalizzazione di sostanze che normalmente non entrerebbero. Sede dei citocromi e della forza proton-motrice (che un fondamentale carburante a livello cellulare). Mobilità dei flagelli Sede di enzimi Sede dei recettori della chemiotassi Interviene del processo di divisione cellulare (“mesosomi settali”) Un ruolo fondamentale lo esercitano i trasportatori di membrana, cioè le proteine che permettono l’accumulo di sostanze all’interno della cellula in quantità fisiologicamente utili che normalmente non entrerebbero. Come avviene il “trasporto contro gradiente” per quelle sostanze che non entrano per diffusione passiva? Avviene in 3 modi:
- Trasporto semplice
- Traslocazione di gruppo
- Sistemi ABC TRASPORTO SEMPLICE: TRASLOCAZIONE DI GRUPPO: Si ha l’utilizzo di più proteine contemporaneamente che hanno la caratteristica di portar dentro la cellula sostanze nutrienti utili, come per esempio il glucosio, e lo fanno modificandolo chimicamente. SISTEMI ABC: Sono costituiti da 3 proteine:
- Proteina periplasmatica (proteina di binding) che aggancia la sostanza che serve alla cellula.
- Poi la trasferisce ad una proteina transmembranaria
- E la proteina che “fornisce benzina” che sta sotto alla membrana citoplasmatica che idrolizza l’ATP
