n.4 Riproduzione e curva di Crescita

RIPRODUZIONE
CICLO CELLULARE
a)
Sintesi coordinata di macromolecole
componenti cellulari: crescita;
e
di
altri
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.
RIPRODUZIONE
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
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.
2) Ciò avviene generalmente in corrispondenza del mesosoma
o del sito di membrana a cui è ancorato il materiale
nucleare.
3) 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).
2) Contemporaneamente ha inizio la duplicazione del
cromosoma batterico
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.
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
IL TEMPO DI REPLICAZIONE DIPENDE DA:
 DISPONIBILITÀ NUTRIENTI
 pH
 TEMPERATURA
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.
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
In condizioni naturali, ad esempio nell’intestino umano,
Escherichia coli impiega ben 12 ore per effettuare
una divisione cellulare.
Altri microrganismi patogeni hanno tempi di duplicazione molto più
lunghi:
Mycobacterium tuberculosis si replica in 18h Treponema
pallidum
si replica in 33h
Per replicarsi i batteri non necessitano solo di adatte
sostanze nutritizie ma anche di opportune condizioni
ambientali. Sia la sopravvivenza che la moltiplicazione
batterica sono influenzate da:
1. temperatura
2. disponibilità di ossigeno
3. pH
4. pressione osmotica
TEMPERATURA
Le differenti specie batteriche presentano differenti
temperature di crescita. Esiste un range di temperature
all’interno del quale la crescita microbica può verificarsi
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:
superiori a 60°C.
microrganismi che si moltiplicano a temperature
RICHIESTA DI OSSIGENO
I 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 (PO2);
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.
CONDIZIONI DI pH
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).
PRESSIONE OSMOTICA
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.
Alte concentrazioni osmotiche possono essere 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.
CURVA DI CRESCITA BATTERICA
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.
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
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
Che tipo di terreno si usa per studiare la curva di crescita?
Biomassa batterica
Colonie batteriche
FASE DI LATENZA
Tale fase è caratterizzata :
1. dall’aumento di volume della cellula, in assenza di
divisione cellulare,
2.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.
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.
FASE LOGARITMICA
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.
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 μ 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.
FASE STAZIONARIA
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 DI LISI O DI DECLINO
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.