OSMOSI

4 La pressione osmotica
La presenza di sali o zuccheri in acqua determina l’aumento della pressione
osmotica con conseguente perdita di acqua da parte della cellula batterica
(disidratazione o avvizzimento cellulare)
I batteri capaci di resistere ad
alte concentrazioni di sale sono
definiti
ALOTOLLERANTI,
ALOFILI o ALOFILI ESTREMI:
I batteri capaci di resistere ad alte concentrazioni di zuccheri sono invece
definiti OSMOFILI
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OSMOSI
Diffusione di acqua attraverso una membrana a permeabilità selettiva
o una qualsiasi
altra cellula
priva di parete
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Alla pressione osmotica è strettamente connessa la disponibilità
dell’acqua (attività dell’acqua, aw)
L’attività dell’acqua (Aw) rappresenta il rapporto tra la pressione di vapore del
substrato considerato (per es. un alimento) e la pressione di vapore dell’acqua pura
nelle stesse condizioni: aw = Palimento/Pacqua (è una misura dell'acqua
disponibile per la crescita di un microrganismo)
Il valore dell’Aw va da 0 a 1 (1 = acqua pura)
L’Aw è utilizzata per prevedere la crescita dei microrganismi negli alimenti
Microrganismo
Minima aw necessaria per la crescita
Caulobacter (G -)
1.00
Spirillum (G -)
1.00
Pseudomonas (G -)
0.91
Salmonella/E. coli (G -)
0.91
Lactobacillus (G +)
0.90
Bacillus (G +)
0.90
Staphylococcus (G +)
0.85
Halococcus (Archea)
0.75
Il valore di aw si può abbassare privando il substrato (ad es. un
alimento) di acqua o aggiungendo sostanze come il sale o lo zucchero
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La riproduzione della cellula batterica
I batteri si riproducono per SCISSIONE BINARIA (processo cellulare di MITOSI). In questo
processo si verifica:
- la duplicazione del cromosoma batterico
- l’allungamento della cellula
- la formazione di un setto trasverso in posizione centrale
- la suddivisione di una copia del cromosoma e del citoplasma nelle due cellule figlie
Formazione
del setto
divisorio
La SCISSIONE BINARIA è un processo di riproduzione
asessuata. I batteri non si riproducono sessualmente (sebbene
sia possibile un processo di scambio di informazioni genetiche
tra due cellule batteriche noto come CONIUGAZIONE
BATTERICA, che rappresenta una forma di sessualità, come
vedremo in una prossima lezione)
In seguito a scissione binaria
si verifica un aumento del
numero degli individui con
costituzione di una COLTURA
BATTERICA o
POPOLAZIONE
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Studiare la CRESCITA BATTERICA
significa analizzare come il numero
degli individui in una popolazione
varia rispetto al tempo
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La curva di crescita batterica
numero di batteri vivi
In coltura in batch (cioè in un sistema chiuso) → esaurimento nutrienti
accumulo prodotti di rifiuto
1 – Fase di LATENZA (lag): fase di
adattamento dei microrganismi al mezzo di
coltura (sintesi di proteine, ATP, enzimi); la
velocità di crescita è considerata pari a zero
Tempo (ore)
2 – Fase ESPONENZIALE (log): fase in cui i
batteri si riproducono alla velocità massima. Il
numero di batteri raddoppia ad intervalli
regolari di tempo (= velocità costante)
3 – Fase STAZIONARIA: la mancanza di nutrienti e l’accumulo di metaboliti tossici rallentano
la crescita fino ad azzerarla (v = 0). Numero di microrganismi costante
4 – Fase di MORTE: il numero di cellule vitali decresce in modo esponenziale (il numero di
microrganismi dimezza ad intervalli costanti di tempo)
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Fattori che influenzano la presenza e
la durata della fase di latenza
Fase di latenza: non sempre è presente e la sua presenza è influenzata da:
1. stato fisiologico delle cellule
2. tipo di terreno colturale
3. modalità di inoculo
Inoculi abbondanti
riducono la fase di latenza
e inoculi diluiti la allungano
Talvolta si possono osservare fasi di latenza multiple, alternate a fasi di crescita, se il mezzo
contiene fonti di carbonio diversificate. Tale fenomeno, detto DIAUXIA, è dovuto al fatto che,
esaurita una delle fonti, la cellula deve risistemare il proprio corredo di enzimi per metabolizzare il
nuovo substrato (questi enzimi sono dunque definiti ENZIMI INDUCIBILI)
numero di batteri
consumo del secondo zucchero
(per esempio LATTOSIO o XILOSIO)
seconda fase di latenza
esaurimento del primo zucchero
(tipicamente GLUCOSIO)
tempo (ore)
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Fattori che influenzano
la fase esponenziale
Diversi fattori possono influenzare la velocità di crescita di una coltura batterica e il suo
TEMPO DI GENERAZIONE (tempo che intercorre tra due generazioni successive)
1. FATTORI GENETICI
BATTERIO
T ottimale
TEMPO MEDIO DI GENERAZIONE (h)
2. FATTORI AMBIENTALI
- sostanze nutritive
- temperatura
- pH
- forza ionica (pressione osmotica)
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Aspetti quantitativi della crescita in fase esponenziale
La crescita batterica segue una progressione geometrica in base 2:
1 → 2 → 22 → 23 → 24 → → → 2n
Nt = N0 × 2 n
log Nt = log N0 + n log 2
- N0 = numero di batteri inoculati
- Nt = numero di batteri al tempo t
- n = numero di generazioni
n = 3,3 log (Nt / N0)
n = (log Nt – log N0) / log 2
Tempo medio di generazione (o di duplicazione)
Tgen = t / n = t / [3,3 log (Nt / N0)]
- t = intervallo di tempo
Costante media del tasso di crescita
k = n / t = 1 / Tgen
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Il ciclo cellulare di Saccharomyces cerevisiae
Fase
stazionaria
0
G1
S
S
M
G1
ac
G1 = fase pre-sintetica
M
S = fase di sintesi del DNA
M = fase mitotica
G1
Si forma il fuso mitotico
L’inizio della replicazione è ritardato nella cellula figlia
poiché è necessario un tempo per l’accrescimento della
cellula (ac); per questo, a S. cerevisiae non possono
essere applicate le formule prima descritte per i batteri
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I cromosomi in diversi organismi
I procarioti possiedono nella maggior parte dei casi (ma non in tutti) un unico cromosoma
circolare, mentre gli eucarioti presentano un numero molto vario di cromosomi lineari
Organismo
Numero di
Numero
coppie
Tipo
di cromosomi
di cromosomi
Dimensione (Mb
= milioni di paia
di basi)
Mycoplasma genitalium
1
1
circolare
0,58
Escherichia coli
1
1
circolare
4,6
Agrobacterium tumefaciens
4
1
3 circolari
1 lineare
5,67
Sinorhizobium meliloti (batterio
azotofissatore Gram negativo)
3
1
circolare
6,7
Saccharomyces cerevisiae
16
1o2
lineare
12,1
Schizosaccharomyces pombe
3
1o2
lineare
12,5
Caenorhabditis elegans
6
2
lineare
97
Drosophila melanogaster
4
2
lineare
180
Fugu rubripes (pesce palla)
Mus musculus (topo)
Homo sapiens
22
19+X+Y
22+(X o Y)
2
2
2
lineare
lineare
lineare
365
2500
2900
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La coltivazione dei microrganismi
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TERRENO DI COLTURA
Miscela di composti biologici o sintetici, organici o minerali, capace di fornire un ambiente adatto
alla crescita di un particolare tipo di microrganismo
A) In base allo stato fisico 1) TERRENI LIQUIDI
2) TERRENI SOLIDI
B) In base alla composizione chimica
Classificazione dei
terreni di coltura
1) TERRENI MINIMI: contengono in composizione nota solo
sali inorganici
2) TERRENI SINTETICI: contengono in composizione nota sia
composti organici sia inorganici
3) TERRENI COMPLESSI (RICCHI): ricchi di substrati
organici di cui non tutti I componenti sono noti (estratti di lievito
o di organo). Sono usati per l’isolamento di microrganismi
nutrizionalmente esigenti
C) In base alla funzione
1) TERRENI SELETTIVI
2) TERRENI DISCRIMINATIVI
3) TERRENI (COLTURE) DI ARRICCHIMENTO
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