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La maggior parte dei batteri di interesse medico si riproduce mediante SCISSIONE BINARIA (trasversale). Questo processo di riproduzione asessuata assicura alla cellula procariotica una esatta ripartizione del corredo cromosomico tra due cellule figlie, che risulteranno uguali
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CICLO CELLULARE
a) sintesi coordinata di macromolecole e di altri componenti cellulari: crescita;
b) formazione del setto;c) divisione caratterizzata da una serie di
reazioni che culminano nel trasferimento di una copia di DNA in ciascuna cellula delle cellule figlie.
La divisione di un microrganismo per scissione si realizza attraverso fasi successive
1) Inizialmente il corpo batterico si allunga per accrescimento sia della membrana citoplasmatica che della parete cellulare. Ciò avviene generalmente in corrispondenza del mesosoma o del sito di membrana a cui è ancorato il materiale nucleare. Durante questa fase si ha invaginazione della membrana citoplasmatica e aumento della parete cellulare
Manca il fuso mitotico, ma si forma un apparato “mitotico” primordiale nel quale risulta centrale la funzione della membrana citoplasmatica (mesosomi).
3) L’accrescimento in senso centripeto della parete cellulare e della membrana citoplasmatica porterà alla formazione, nella porzione centrale della cellula, di un setto traverso, che determinerà l’allontanamento dei due nuovi cromosomi per distanziamento delle zone della membrana citoplasmatica alle quali sono ancorati.
2) Contemporaneamente ha inizio la duplicazione del cromosoma batterico
4) Con il completo sviluppo di questa struttura si otterrà la separazione delle due cellule figlie.
In alcuni casi il setto di parete cellulare, rimanendo a lungo incompleto genera la formazione di raggruppamenti di cellule caratteristici e diversi in rapporto ai successivi piani di divisione cellulare.
La divisione batterica per scissione binaria determina la moltiplicazione del microrganismo in maniera esponenziale, così che, dopo tre divisioni, da una cellula batterica se ne formano otto
L’intervallo di tempo necessario al batterio per riprodursi è detto tempo di duplicazione (o tempo di replicazione) e varia tra i differenti microrganismi e a seconda delle condizioni di crescita.
IL TEMPO DI REPLICAZIONE DIPENDE DA:
In condizioni naturali, ad esempio nell’intestino umano, Escherichia coli impiega ben 12 ore per effettuare una divisione cellulare.
Escherichia coli e la maggior parte dei batteri ha, in condizioni ambientali ottimali (create in laboratorio), un tempo di duplicazione di 20-30 minuti; in questi casi bastano 12 ore (35 generazioni) per ottenere da una singola cellula miliardi di batteri.
TEMPERATURA
Le differenti specie batteriche presentano differenti temperature di crescita. Esiste un range di temperature all’interno del quale la crescita microbica può verificarsi. Al di sopra della temperature massima o al i sotto di quella minima il microrganismo non si replica.
L’influenza della temperatura sulla crescita microbica è un riflesso dell’effetto della temperatura sulle reazioni enzimatiche cellulari.Se la temperatura aumenta troppo, gli enzimi e le proteine vengono denaturati con danneggiamento e morte della cellula batterica.
Viceversa, se troppo bassa l’attività enzimatica è rallentata.
TEMPERATURA
In base alla temperatura ottimale di crescita i batteri vengono classificati in:
Psicrofili: microrganismi con un optimum di sviluppo tra 15-20°C. Alcuni batteri possono replicarsi anche a temperature inferiori ai 10°C (Listeria monocytogenes) e quindi essere in grado di svilupparsi nei cibi refrigerati.Mesofili: a questo gruppo appartengono la maggior parte dei batteri patogeni per l’uomo. Essi crescono a temperature comprese tra i 20 e i 40°C con un optimum di temperatura di 36-37°C.Termofili: microrganismi che hanno un optimum di temperatura di circa 45°C. Si possono isolare in sorgenti termali, in cui questi batteri si moltiplicano a temperature comprese tra 40 e 60°C.Stenotermofili: microrganismi che si moltiplicano a temperature superiori a 60°C. Le molecole dei termofili e stenotermofili hanno una struttura terziaria particolarmente stabile che li rende resistenti a temperature più elevate.
RICHIESTA DI OSSIGENOI batteri presentano un’ampia variabilità nelle loro
richieste di ossigeno (atmosferico) gassoso
Aerobi obbligati: batteri che crescono solo in presenza di ossigeno atmosferico. Questi comprendono, soprattutto, patogeni delle vie respiratorie, come ad es. Mycobacterium tuberculosis o alcune specie di Neisseria.
Anaerobi facoltativi: batteri che sono capaci di crescere in condizioni aerobie e anaerobie. Gli anaerobi facoltativi comprendono molti batteri di interesse medico come: Vibrio, Spirillum, Escherichia, Aerobacter, Salmonella e Shigella tra i batteri Gram negativi; tra i Gram positivi la maggior parte dei bacilli e Staphylococcus.
Anaerobi obbligati: batteri che possono vivere solo in assenza di ossigeno molecolare e per i quali la presenza di ossigeno atmosferico è addirittura tossica (microrganismi non ossigeno-tolleranti). La maggior parte dei batteri anaerobi vive nel tratto gastrointestinale dell’uomo, ad es., alcune specie di Bacteroides, costituenti del microbiota intestinale, responsabili di ascessi in diversa sede, e alcune specie di Clostridium.
Microaerofili: batteri che hanno bisogno per moltiplicarsi di una atmosfera con una ridotta pressione parziale di ossigeno; essi non crescono o crescono molto stentatamente in presenza di aria, ma si moltiplicano bene in atmosfera addizionata di CO2. A questo gruppo appartengono, ad es., microrganismi Gram positivi quali ad es. Streptococcus, Lactobacillus e Propionibacterium e tra i Gram negativi Campylobacter.
Questi microrganismi crescono bene in recipienti a tenuta all’interno dei quali l’aria può essere modificata, facendo reagire l’ossigeno libero con H generato da un sistema chimico inserito nel contenitore. Inoltre, si aggiunge un generatore di CO2 (acido citrico e sodio bicarbonato) che viene attivato con aggiunta di acqua al momento dell’uso, portando la percentuale di CO2 dell’atmosfera dallo 0,03% al 5-10%. La presenzadi un catalizzatore nel sistema consente la combinazionedell’O2 presente nel recipiente con l’H sviluppatosi e la formazione di acqua
La maggior parte dei microrganismi richiede
concentrazioni ottimali di ioni idrogeno, anche se
possono moltiplicarsi in un range abbastanza
ampio di pH. Il valore di pH ottimale per le
specie patogene per l’uomo è compreso tra 6.5 e
7.5; alcuni microrganismi, però crescono meglio
a pH alcalino (Vibrio cholerae ), mentre altri si
moltiplicano anche a pH fortemente acido
(Lattobacilli).
CONDIZIONI DI pH
Un microrganismo generalmente si moltiplica meglio
in un terreno con concentrazione osmotica più bassa
della propria. Ciò permette all’acqua di fluire nella
cellula, condizione essenziale per la diffusione dei
nutrienti.
Se la pressione osmotica è elevata (ad esempio
portando la concentrazione di cloruro di sodio al 15-
20% in un terreno di coltura o al 20% quella del
glucosio) si impedisce l’assunzione di acqua da parte
del batterio e il microrganismo non si replica.
PRESSIONE OSMOTICA
Alte concentrazioni osmotiche possono essere però
utilizzate per la conservazione degli alimenti. Infatti,
solo alcuni microrganismi sono in grado di
moltiplicarsi in condizioni ipertoniche; questi batteri,
detti osmofili o alofili, tollerano elevatissime
concentrazioni di cloruro di sodio.
PRESSIONE OSMOTICA
In idonee condizioni alle quali il batterio si
è completamente adattato, esso è in uno
stato di crescita bilanciata. In tali
situazioni la crescita batterica segue il
principio di una reazione chimica di primo
ordine: l’entità di crescita del batterio è
proporzionale al numero o alla massa dei
batteri presenti ad un determinato tempo.
CURVA DI CRESCITA BATTERICA
1. Fase di latenza (fase lag)
2. Fase di crescita esponenziale o fase logaritmica (fase log)
3. Fase stazionaria
4. Fase di declino o lisi
Utilizzando un sistema di assi cartesiani semilogaritmico vengono riportati sull’asse delle ascisse i tempi di osservazione e sull’asse delle ordinate il numero dei batteri. Si otterrà una curva di crescita distinta in 4 fasi
Tale fase è caratterizzata dall’aumento di
volume della cellula, in assenza di divisione
cellulare, dall’incremento di proteine, acidi
nucleici, soprattutto acido ribonucleico. È in
questa fase iniziale che il batterio ha
necessità di adattarsi alle nuove condizioni
ambientali, sintetizzando gli enzimi di
adattamento che gli consentono di utilizzare i
substrati necessari alla sua moltiplicazione.
FASE DI LATENZA
La durata della fase lag dipende da numerosi fattori:
1. fattori dipendenti dall’inoculo: la durata della fase di latenza è inversamente proporzionale alla quantità dell’inoculo ed è direttamente proporzionale all’età delle cellule dell’inoculo, ossia alla fase di crescita in cui si trova la coltura da cui deriva l’inoculo. Se l’inoculo è costituito da cellule batteriche in fase di crescita logaritmica, la fase lag scompare.
2. fattori dipendenti dal terreno: la fase di latenza si allunga se l’inoculo proviene da un terreno diverso da quello utilizzato per lo studio della curva di crescita. È chiaro che in tal caso il tempo maggiore è necessario affinchè la cellula possa sintetizzare gli enzimi di adattamento che le consentiranno l’utilizzo di nuovi substrati.
Alla fine della fase lag si assiste all’inizio delle divisioni
cellulari e ad un incremento della velocità di crescita. Tale
periodo della crescita batterica viene anche definito fase di
accelerazione positiva della crescita. Subito dopo inizia la
fase esponenziale o logaritmica (fase log).
Il tempo di generazione (ossia il tempo che un certo
numero di batteri impiega a duplicarsi) è costante e la
velocità di crescita è massima e costante, di conseguenza
l’incremento della popolazione batterica è costante.
FASE LOGARITMICA
Se si riuscisse a partire da un’unica cellula, dopo n divisioni il numero di cellule sarebbe
x (n) = 1 · 2n
Verso la fine della fase log il tempo di generazione si allunga, la velocità di crescita va diminuendo e il tasso di moltiplicazione e di morte cellulare si equivalgono. È questa fase definita anche fase di accelerazione negativa della crescita
la fase di crescita log può essere distinta in tre parti:
1) Fase di accelerazione positiva, in cui il tempo di divisione aumenta e la velocità di crescita aumenta.2) Fase di crescita esponenziale o logaritmica, in cui sia il tempo di divisione che la velocità di crescita sono costanti.3) Fase di accelerazione negativa, in cui il tempo di divisione si allunga e la velocità di crescita diminuisce.
Alla fine della fase di accelerazione negativa, sia per
l’esaurimento di sostanze nutritive sia per l’accumulo di
metabolici tossici, sia per un fenomeno di inibizione da
contatto, la popolazione batterica entra nella fase di
crescita stazionaria.
In tale fase un certo numero di cellule continua a
moltiplicarsi con tempi di generazione più lunghi e con
velocità di crescita molto bassa, altre cellule muoiono.
Si stabilisce una sorta di equilibrio dinamico, per cui, di
solito, il numero di cellule che muore equivale al
numero di cellule che ancora si divide.
FASE STAZIONARIA
la morte è una funzione esponenziale e si evidenzia
come una riduzione lineare del numero di cellule
vitali nel tempo.
Il tasso di mortalità aumenta fino a raggiungere un
livello costante. Tale fase può durare anche mesi,
se un piccolo numero di cellule vive persiste nella
coltura e continua a moltiplicarsi, utilizzando i
metaboliti liberati dalle cellule lisate.
FASE DI LISI O DI DECLINO
E’ possibile prolungare artificialmente la fase di
crescita esponenziale ricorrendo alle colture in
continuo.
In tale sistema le cellule sono mantenute
costantemente in fase di crescita esponenziale e la
densità della coltura rimane costante. Ciò si ottiene
aggiungendo terreno fresco al contenitore ed
eliminando la stessa quantità di terreno di coltura
“sfruttato”.
Colture in continuo
Biomassa batterica Colonie batteriche
Che tipo di terreno si usa per studiare la curva di crescita?