Scopri Tutto sul Metabolismo dei Microrganismi: Tipi, Processi e Segreti Svelati!

Il termine metabolismo definisce l’insieme delle reazioni chimiche che si svolgono a livello cellulare e che sono necessarie alla vita dei microrganismi. Il metabolismo può essere considerato suddiviso in due fasi, tra loro strettamente interdipendenti: il catabolismo, comprendente le reazioni chimiche che portano alla produzione di energia, e l’anabolismo, comprendente le reazioni endoergoniche che portano alla sintesi delle macromolecole complesse a partire da composti semplici (precursori metabolici).

Se l’anabolismo è per molti aspetti abbastanza simile nei procarioti e negli eucarioti, il catabolismo nei batteri presenta una varietà di meccanismi implicati nella conservazione dell’energia, che li rende paragonabili a “catalizzatori biologici”, capaci di innumerevoli reazioni e trasformazioni.

Classificazione dei Batteri in Base all'Utilizzo dell'Ossigeno

La classificazione delle specie batteriche in batteri aerobi e anaerobi viene operata in funzione della fonte energetica utilizzata per alimentare i processi biosintetici del loro metabolismo. Più precisamente, la classificazione in batteri aerobi e anaerobi fa riferimento all'effetto che l'ossigeno (O2) esercita sulla crescita dei microorganismi in questione. Sulla base di questo tipo di classificazione, le varie specie batteriche possono essere suddivise in quattro grandi gruppi:

Aerobi obbligati: I batteri appartenenti a questo gruppo traggono energia dalla respirazione aerobica; pertanto, hanno assolutamente bisogno di ossigeno (O2) per sopravvivere.
Anaerobi obbligati: Gli anaerobi obbligati - anche conosciuti come aerofobi - sono batteri che non necessitano di O2 per sopravvivere, ma, al contrario, la presenza di ossigeno nel loro habitat ne inibisce la crescita. Questi batteri traggono energia da altri processi metabolici, quali la fermentazione, la respirazione anaerobica, la fotosintesi batterica o la metanogenesi.
Aerobi/anaerobi facoltativi: Per la crescita dei batteri appartenenti a questo gruppo l'ossigeno non è indispensabile, ma quando è disponibile, viene comunque utilizzato. Questi microorganismi, infatti, in condizioni anaerobiche (assenza di O2) traggono energia da processi come la fermentazione o la respirazione anaerobica, mentre in presenza di ossigeno (condizioni aerobiche) producono energia attraverso la respirazione aerobica.
Anaerobi aerotolleranti: Questi batteri producono energia esclusivamente attraverso processi anaerobici (generalmente, attraverso la fermentazione), ma - al contrario di ciò che avviene per gli anaerobi obbligati - la presenza di ossigeno nel loro habitat non ne inibisce la crescita.

Enzimi e Tolleranza all'Ossigeno

Il tipo di comportamento che un battere ha nei confronti dell'ossigeno dipende dal tipo di enzimi che il batterio stesso possiede. Più in particolare, dipende dagli enzimi capaci di interagire con l'ossigeno e con i suoi radicali, come l'anione superossido (O2-), i radicali ossidrilici (•OH) e il perossido d'idrogeno (H2O2).

Superossido dismutasi: è un enzima presente negli aerobi obbligati, negli anaerobi aerotolleranti e in molti aerobi facoltativi. Il suo compito è di prevenire l'accumulo di superossido che, altrimenti, sarebbe letale per la cellula.
Catalasi: è un enzima presente negli aerobi obbligati e in molti aerobi facoltativi. Il suo compito è di decomporre il perossido d'idrogeno (H2O2) in acqua (H2O) e ossigeno (O2). In questo modo, l'enzima detossifica la cellula batterica da questo componente estremamente dannoso.
Perossidasi: è un enzima presente in molti anaerobi aerotolleranti. Il suo compito è di convertire il perossido d'idrogeno (H2O2) in acqua (H2O) attraverso un meccanismo di trasferimento di elettroni.

Gli anaerobi obbligati non possiedono questi enzimi, ecco perché la presenza di ossigeno nel loro habitat ne inibisce la crescita.

Leggi anche: Approfondimento sul metabolismo.

I radicali dell'ossigeno si formano come prodotti di scarto dei processi metabolici, sia di cellule procariotiche (come quelle batteriche), sia di cellule eucariotiche (come le cellule animali e vegetali). Questi radicali sono dannosi per la cellula e devono essere immediatamente degradati per impedire che esercitino la loro azione tossica.

Gli organismi fotosintetici (come le piante, le alghe e alcune specie batteriche) e anche alcuni organismi non fotosintetici, sono in grado di proteggersi dall'azione dei radicali dell'O2 grazie alla presenza di particolari pigmenti, i carotenoidi. Questi pigmenti, infatti, sono in grado di neutralizzare i radicali dell'ossigeno tossici proteggendo la cellula dai meccanismi ossidativi.

Batteri Aerobi e Anaerobi Patogeni

Di seguito saranno brevemente descritti alcuni dei principali batteri aerobi e anaerobi che possono essere patogeni per l'uomo.

Aerobi Obbligati Patogeni per l'Uomo

Sono molte le specie batteriche patogene per l'uomo che appartengono a questo gruppo, fra le quali, ricordiamo:

Bordatella pertussis, responsabile d'infezioni delle vie respiratorie che provocano la pertosse o la bronchite acuta. La terapia di prima scelta contro le infezioni da B. pertussis prevede l'utilizzo dell'eritromicina (un macrolide); in alternativa può essere utilizzata l'amoxicillina. Per prevenire questo tipo d'infezioni è anche disponibile un vaccino.
Legionella pneumophila, responsabile dell'insorgenza della malattia dei legionari (o legionellosi). La legionellosi può essere trattata con farmaci come l'azitromicina, l'eritromicina, la claritromicina, la telitromicina o i fluorochinoloni.
Mycobacterium leprae, è responsabile dell'insorgenza della lebbra. Per contrastare le infezioni causate da questo microorganismo, si utilizzano associazioni di farmaci come il dapsone e la rifampicina o l'acedapsone e la clofazimina.
Neisseria gonorrhoeae, è responsabile dell'insorgenza di gonorrea faringea, gonorrea, uretrite gonococcica acuta, prostatite, cervicite, endometrite, malattia infiammatoria pelvica, dermatiti e artriti. Per trattare le infezioni da N. gonorrhoeae si utilizzano, di solito, le cefalosporine (come ceftriaxone e cefixima) o i fluorochinoloni.

Anaerobi Obbligati Patogeni per l'Uomo

Fra i vari batteri patogeni per l'uomo che possono crescere solo in habitat privi di ossigeno - quindi in condizioni anaerobiche - ricordiamo:

Clostridium difficile, questo battere può far parte della normale flora batterica umana ed è responsabile d'infezioni opportunistiche dell'apparato gastrointestinale. Contro le infezioni da C. difficile, di solito, si utilizzano antibiotici quali metronidazolo, cloramfenicolo, vancomicina o eritromicina.
Clostridium tetani, responsabile del tetano (o paralisi spastica). Generalmente, contro questo battere vengono utilizzati metronidazolo o benzilpenicillina.
Bacterioides fragilis, è responsabile dell'insorgenza di ascessi addominali, appendiciti, peritoniti, ascessi rettali o setticemie. Per trattare le infezioni da B.

Aerobi/Anaerobi Facoltativi Patogeni per l'Uomo

Fra gli aerobi/anaerobi facoltativi che possono essere patogeni per l'uomo, ricordiamo:

Escherichia coli, è un battere normalmente presente nella flora batterica intestinale umana, ma in soggetti immunodepressi può dare origine a infezioni opportunistiche che possono provocare uretrocistite, prostatite, meningite neonatale, colite enteroemorragica, diarrea acquosa o diarrea del viaggiatore. Gli antibiotici più utilizzati per trattare le infezioni da E. coli sono carbapenemi, penicilline, monobattami, amminoglicosidi, cefalosporine o macrolidi.
Haemophilus influenzae, è responsabile d'infezioni del tratto respiratorio e del sistema nervoso. Gli antibiotici solitamente impiegati per contrastare le infezioni provocate da questo battere sono le cefalosporine, le penicilline o i sulfamidici.

Anaerobi Aerotolleranti Patogeni per l'Uomo

Fra i vari batteri patogeni appartenenti a questo gruppo, ricordiamo il Propionibacterium acnes e il Propionibacterium propionicum.

Il P. acnes fa parte della normale flora batterica presente sulla cute umana ed è coinvolto nello sviluppo dell'acne. In alcuni casi, però, il P. acnes può causare infezioni opportunistiche che portano all'insorgenza di meningiti, endocarditi, artriti o infezioni chirurgiche.
Il P. propionicum è, invece, responsabile dell'insorgenza di canaliculite lacrimale e ascessi dentali. Per trattare le infezioni causate da questa tipologia di batteri si possono utilizzare farmaci come le penicilline, le cefalosporine, i chinoloni o la vancomicina.

Fermentazione: Un Processo Anaerobico

La fermentazione è una trasformazione degli zuccheri che avviene nei prodotti organici, causata dal metabolismo di alcuni specifici microrganismi. I principali responsabili appartengono al regno dei batteri (Lactobacillus spp., Clostridium spp., Nitrobacter spp., Acetobacter spp., ecc...) e dei funghi (lieviti). Molti tra questi microrganismi sono caratterizzati da un metabolismo di tipo anaerobio facoltativo: questo significa che sono in grado di sopravvivere sia in presenza che in assenza di ossigeno.

In particolare si possono distinguere due fasi:

FASE AEROBICA: in presenza di ossigeno, e nell'ambiente adatto, il meccanismo con cui i microrganismi producono energia è la respirazione. Gli zuccheri vengono quindi “consumati” (ossidati) sfruttando l’ossigeno.È di gran lunga il metodo più efficiente che le cellule hanno a disposizione: in questa fase vengono infatti massimizzate sia la produzione di anidride carbonica che la produzione di energia. La grande disponibilità di energia permette alle cellule di moltiplicarsi ed aumentare quindi rapidamente di numero. In realtà è un metabolismo scarsamente frequente: le matrici alimentari generalmente non contengono sufficiente ossigeno per far respirare i microrganismi, che inoltre spesso e volentieri preferiscono fermentare quando possono.
FASE ANAEROBICA: in assenza di ossigeno, l’unico meccanismo con cui i microrganismi possono produrre energia è la fermentazione. Diversi microrganismi hanno perfezionato ed ottimizzato nel tempo diversi tipi di fermentazione (alcolica, lattica, acetica, ecc...) che, pur producendo energia a partire sempre da zuccheri come il glucosio, si differenziano per il prodotto finale. La più comune è la fermentazione alcolica dei lieviti (es. Saccharomyces cerevisiae), che producono CO2 + etanolo + energia. I batteri lattici si caratterizzano invece per una fermentazione lattica, che a partire dal glucosio produce acido lattico (batteri lattici omofermentanti es. Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus), o acido lattico + etanolo + CO2 (batteri lattici eterofermentanti, es. Lactobacillus sanfranciscencis). Un’altra fermentazione piuttosto comune è quella acetica, operata da batteri acetici (es. Acetobacter spp.) che sfruttano l’ossigeno per trasformare l’etanolo in acido acetico. Capiamo fin da subito però come questo processo metabolico si differenzi dagli altri tipi di fermentazione: il substrato di partenza è etanolo e non glucosio, in più viene utilizzato ossigeno per trasformarlo in acido acetico, reagente per definizione assente nelle fermentazioni.

Reazioni Redox e Conservazione dell'Energia

Nelle cellule, la conservazione dell'energia coinvolge reazioni di ossidoriduzione (reazioni redox). L'energia rilasciata in queste reazioni è conservata nel processo di produzione di composti ad alta energia come l'ATP.

Chimicamente un'ossidazione viene definita coma la riduzione di uno o più elettroni da una sostanza, mentre una riduzione viene definita come l'aggiunta a una sostanza di un elettrone (o di più elettroni). In biochimica l'ossidazione e la riduzione coinvolgono frequentemente il trasferimento non solo di un elettrone, ma di un elettrone (e-) associato ad un protone (H+). Infatti, le reazioni redox si verificano quando elettroni forniti da un donatore sono ricevuti da un accettore.

Per esempio, il gas idrogeno (H2) può rilasciare elettroni e protoni e diviene ossidato: H2---->2e- + 2H+. Questa è solo una semireazione, termine che indica la necessità di una seconda metà. Ciò dipende dal fatto che per ogni ossidazione occorre che avvenga una conseguente riduzione.

Per esempio, l'ossidazione di H2 deve avvenire in coppia con una riduzione di sostanza differenti, incluso O2, in una seconda reazione: ½ O2 + 2 e- + 2H+ ----> H2O. Questa semireazione, che è una riduzione, quando viene accoppiata alla precedente ossidazione di H2, produce la seguente reazione di equilibrio: H2 + ½ O2 ----> H2O.

In reazioni di questo tipo, ci riferiamo alla sostanza ossidata, in questo caso H2, come donatore di elettroni e alla sostanza ridotta, in questo caso O2, come accettore di elettroni. Comunque le sostanze variano nella propria tendenza a ossidarsi e a ridursi. Tale tendenza viene detta potenziale di riduzione (E0', in condizioni standard), che è misurato elettricamente in volt (V).

Inoltre, bisogna dire, che i donatori di elettroni vengono spesso definiti fonti di energia per il fatto che quando passano allo stato ossidato rilasciano energia. In natura esistono molti donatori potenziali di elettroni, tuttavia non è il donatore in sé a contenere questa energia, ma è la reazione chimica durante la quale il donatore di elettroni viene ossidato a rilasciare energia.

La quantità di quest'ultima, rilasciata in una reazione redox, dipende dalla natura di entrambi, donatore e accettore di elettroni. Quanto maggiore è la differenza tra i potenziali di riduzione delle due semireazioni, tanto maggiore sarà l'energia liberata quando avviene la reazione.

Prevenzione delle Infezioni Batteriche

I batteri sono microorganismi presenti ovunque, con i quali veniamo in contatto quotidianamente. Seguire le norme igieniche fondamentali durante la conservazione, la preparazione o la cottura dei cibi.

Tuttavia, il semplice rispetto delle norme igieniche non sempre è sufficiente a prevenire le infezioni batteriche. Per prevenire le infezioni batteriche sessualmente trasmesse, ad esempio, è indispensabile l'utilizzo di metodi contraccettivi barriera (come, ad esempio, il preservativo).

Per la prevenzione di alcuni tipi d'infezioni batteriche, talvolta potenzialmente fatali, sono anche disponibili dei vaccini (un esempio può essere quello della vaccinazione antitetanica).

Infine, anche il ruolo del sistema immunitario di ciascun individuo non dev'essere sottovalutato. Un sistema immunitario funzionante, infatti, può essere talvolta sufficiente per prevenire lo sviluppo di molte infezioni batteriche.

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