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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?