Batteri gram negativi

I BATTERI GRAM-

La parete batterica dei batteri Gram- è diversa dalla parete batterica dei batteri Gram+ perché il peptidoglicano è molto sottile e non è in grado di trattenere le molecole idrofobiche che possono anche portare alla distruzione della membrana plasmatica, quindi della cellula stessa. Questa parete batterica impedisce anch’essa lo shock osmotico, soprattutto in un ambiente ipotonico (questo shock può avvenire anche in un ambiente ipertonico, ma in questo caso la cellula si sgonfia e può non morire). I batteri Gram- hanno costituito inoltre una membrana esterna, non identica alle membrane biologiche classiche, in quanto è presente un materiale indicato con il termine LPS (lipopolisaccaride). Il foglietto interno di questa membrana è identico a quello delle membrane biologiche classiche, mentre il foglietto esterno si differenzia perché nessun’altra membrana presenta questo LPS, una molecola importantissima, perché è costituita da tre componenti che hanno delle funzioni diverse e condizionano differentemente la cellula batterica. Il LPS sta ad indicare un lipide, che ne rappresenta la parte più in profondità, ed un polisaccaride che viene proiettato verso l’esterno, in particolare il polisaccaride è una struttura abbastanza complessa ed è costituito da due unità diverse.

Osservando l’immagine della membrana plasmatica dei batteri GRAM-, si vede che questo LPS è formato innanzitutto dal lipide A, che si va ad intercalare tra i fosfolipidi di membrana, ed è una sostanza molto importante perché rappresenta l’endotossina dei batteri Gram-. Esso è in particolare un glicolipide, costituito da un disaccaride che viene rivolto verso il foglietto interno della membrana plasmatica, in quanto è esterificato con una serie di acidi grassi. Questo lipide A produrrà dei danni all’organismo infetto quando verrà prodotto in eccesso, ma ciò avviene raramente, o quando viene liberato dalla cellula batterica se la membrana plasmatica viene lisata. Quando l’organismo elimina il batterio lisandolo, viene infatti liberata questa endotossina che è costituita dal lipide A, che ha moltissime attività biologiche, alcune positive ed altre negative, che sono alla base della sintomatologia classica dei batteri Gram-. Questo sta anche a sottolineare che nella maggior parte delle malattie da batteri Gram- l’esordio iniziale è sovrapponibile tra le varie malattie che originano da questi batteri, poi però esse si differenziano, ciò vuol dire ad esempio che non si riesce a diagnosticare con certezza una malattia proveniente da un batterio Gram- (ad esempio il tifo addominale o la brucellosi) agli stadi iniziali. Nei batteri Gram+ invece, che non hanno questo lipide, l’attività patogena e data dalle esotossine secrete all’esterno, come quelle del tetano, del Clostridium botulinum o del Bacillus anthracis.

Andando in direzione centrifuga si trova invece il PS (polisaccaride), costituito da due unità diverse, di cui una è l’antigene del core, che sta al centro tra la porzione esterna del polisaccaride ed il lipide A. L’antigene del core è molto simile tra tutti i batteri Gram-, infatti molto spesso la classificazione dei batteri si avvale di indicazioni che si ottengono sierologicamente, mettendo a contatto un batterio con uno specifico anticorpo, per ottenere una reazione specifica, così abbiamo potuto notare che i batteri che appartengono allo stesso genere, ma che sono di specie diversa, molto spesso hanno un “antigene del core” comune.

L’ultima parte del LPS è l’antigene O, che rappresenta praticamente il polisaccaride estremo, l’ultima parte del polisaccaride che viene a contatto con l’ambiente, a meno che non sia presente la capsula del batterio. L’antigene O si differenzia invece in batteri di specie diversa, anche se sono all’interno dello stesso genere. Il polisaccaride esterno inoltre coadiuva l’azione tossica, infatti le cellule batteriche che perdono per mutazione il polisaccaride esterno, perdono anche l’attività tossica.

La membrana plasmatica esterna, nonostante sia più lassa del peptidoglicano, impedisce la penetrazione da parte di alcune sostanze dall’esterno, a meno che non abbiano elevate concentrazioni. Anche per i batteri Gram- c’è un terreno che li avvantaggia, impedendo lo sviluppo dei batteri Gram+, e questo è il terreno di Agar-MacConkey che è l’analogo del terreno di Chapman per i batteri Gram+. Questo terreno è addizionato in maniera particolare, oltre ad altre sostanze, con i sali biliari, che in genere non superano la membrana esterna e quindi non riescono a danneggiare il batterio Gram-, infatti essendo presenti normalmente nel nostro organismo costituiscono un antibatterico naturale. È un terreno che ci da delle indicazioni anche su quale tipo di batterio Gram- si sta sviluppando, ad esempio la salmonella è un patogeno classico che si sviluppa in questo tipo di terreno.

Supponendo però che la membrana esterna di questi batteri sia impermeabile alle sostanze esterne, succede anche in questo caso che i batteri abbiano delle difficoltà a nutrirsi, in effetti questa membrana esterna ha messo in atto un meccanismo che permette la penetrazione passiva di alcune sostanze importanti nei primi passi del metabolismo di questi batteri. Sulla superficie di questa membrana troviamo invece delle proteine chiamate porine, costituite da dei dimeri o dei trimeri, formanti dei pori che permettono il passaggio di piccole molecole di 700-800 Dalton (al massimo 1000 Dalton), essenziali per il primo metabolismo. Alcune sostanze importanti più grosse devono passare invece attraverso delle proteine carrier, che però sono meno rappresentate rispetto a quelle presenti sulla membrana citoplasmatica. La presenza delle porine è determinante nell’aiutare la penetrazione di queste sostanze, che servono molto al metabolismo cellulare. In particolare ci sono delle proteine chiamate proteine di Brown, che rappresentano quasi delle colonne, che servono a mantenere la distanza tra la membrana esterna ed il peptidoglicano, oltre che a fungere anche da ancora. Nello spazio periplasmico si trovano invece degli zuccheri, le vitamine, gli ioni, gli enzimi degradativi (agiscono per lo più sulle grosse molecole, in modo da ridurle alla dimensione giusta per il corretto passaggio nella cellula) e gli enzimi detossificanti, che agiscono invece contro specifici farmaci antibatterici.

La sensibilità al complemento

I batteri Gram+ sono molto sensibili al lisozima, una sostanza del sistema immunitario aspecifico, a cui i batteri Gram- sono insensibili perché questo enzima fa fatica a penentrare la membrana esterna. C’è un’altra componente del sistema immunitario che però va a degradare i batteri Gram-, essa è il complemento, ovvero una serie di proteine che si attivano a catena, rappresentate nel siero ed attivate normalmente dalla formazione di un immunocomplesso, cioè l’unione di un anticorpo specifico con un batterio. Il complemento crea dei fori di passaggio sulle membrane, in particolare su quella esterna dei batteri Gram-, che porta al meccanismo di fuoriuscita del materiale intracitoplasmatico ed alla lisi della cellula batterica stessa. Anche un’endotossina può attivare il sistema del complemento, quindi nel sistema immunitario aspecifico esiste almeno una componente in grado di eliminare i batteri Gram+ ed una componente in grado di eliminare i batteri Gram-, agendo su diverse strutture.

L’insensibilità e la resistenza

La struttura della membrana esterna rende difficile la penetrazione di certe sostanze importanti come gli antibiotici, questo rappresenta il fenomeno dell’insensibilità del batterio, che è diverso dal fenomeno della resistenza. La resistenza può essere acquisita, ad esempio un batterio acquisisce la capacità di degradare un antibiotico, oppure un batterio può essere insensibile ad un antibiotico, ad esempio i micoplasmi, che non possiedono una parete batterica, e dunque sono naturalmente insensibili agli antibiotici che agiscono sulla parete. I batteri Gram- sono insensibili all’azione degli antibiotici degradanti perché questi non riescono a penetrare la membrana esterna e non possono provocare dei danni sulla parete batterica. La penicillina agisce sui batteri Gram+ perché penetra il peptidoglicano e va a condizionare sulla membrana citoplasmatica la sintesi di questo polimero, quando la cellula è in fase di replicazione. Il bersaglio degli antibiotici di solito è il percorso metabolico che porta alla formazione del peptidoglicano, essi tendono infatti solitamente ad inserirsi all’interno di una tappa di questo percorso metabolico, ad esempio la penicillina viene assorbita come se fosse un amminoacido, perché ha una forma simile all’alanina, e viene portata all’interno del circuito di formazione del peptidoglicano come se fosse una parte integrante della struttura stessa, ma naturalmente, non avrà la stessa funzione dell’amminoacido di cui ha preso il posto, andrà quindi a scombussolare la struttura stessa del peptidoglicano. I batteri Gram- non lasciano invece penetrare la penicillina perché questi antibiotici β-lattamici non passano nelle porine, e quei pochi che passano vengono degradati, perché all’interno dello spazio periplasmico si concentrano gli enzimi β-lattamasi a forte concentrazione, rispetto ai batteri Gram+ che le secernono all’esterno, ed è per questo che tutte le ciclosporine e molte penicilline non funzionano sui batteri Gram-. Sono state studiate però delle ciclosporine che hanno dei radicali (delle sostanze chimiche molto reattive) che vanno a ricoprire l’anello β-lattamico che è il fulcro della molecola, così da renderla protetta nei confronti degli enzimi β-lattamasi. Sono delle ciclosporine di seconda e terza generazione, delle sostanze naturali modificate in laboratorio che diventano così attive sui batteri Gram-.

Per quanto riguarda invece l’endotossina, essa ha numerosissime attività biologiche, in particolare la pirogenicità è il primo sintomo della patologia da batteri Gram-, in quanto la tossina fa liberare i pirogeni endogeni dai globuli bianchi, che vanno ad interagire con il centro termoregolatore a livello del sistema nervoso centrale. L’endotossina può dare anche l’attivazione del complemento per una via alternativa, che funziona comunque molto bene, dando un incremento dello sviluppo dei monociti, un’iperglicemia e l’induzione dell’azione dell’interferone, che aiuta l’organismo a respingere l’attacco batterico. Per quanto riguarda le applicazioni di queste sostanze, alcuni soggetti malati di tumore verso lo stadio terminale vennero trattati negli anni scorsi con un’endotossina a dosi massive, che portava il tumore alla necrosi, però questa sostanza era talmente tossica alla concentrazione a cui si doveva utilizzare, che la terapia risultava comunque essere peggiorativa.

Fino a poco tempo fa, per mettere in evidenza la presenza di un’endotossina nei dispositivi medici, nei disinfettanti o nell’acqua, si allestiva un’indagine complicata che utilizzava un coniglio, e vedeva se gli si alzava la temperatura. Ora c’è il LAL test (Limulus Amebocyte Lysate), che sfrutta la sensibilità di un lisato di amebociti, che non sono altro che dei globuli bianchi di un crostaceo, il Limulus. Il lisato di amebociti messo a contatto con delle tracce minime di endotossina tende infatti a gelificare. 

In alcuni casi le cellule batteriche Gram+ possono perdere la parete batterica a seguito del trattamento con alcuni antibiotici, dando vita alle Forme L, diventando insensibili all’antibiotico con il quale sono in fase di trattamento. Può capitare quindi che dopo un trattamento prolungato di antibiotici su diversi batteri, si selezionino delle forme senza parete, insensibili al farmaco. Naturalmente interrotta la terapia, la parete batterica viene ricostituita.