Lezione Tecnici 15-10-09

Cosa sono I batteri?

I batteri sono organismi unicellulari, procarioti, di piccole dimensioni che replicano attraverso divisione cellulare.

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Sono onnipresenti e sono anche le forme viventi più diffuse sulla Terra. HABITAT: i più disparati, alcuni batteri vivono nel terreno, altri nell'aria o nell'acqua; altri ancora sono parassiti delle piante, degli animali, dell’uomo

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In un solo cucchiaio di terreno se ne possono trovare fino a 10.000 miliardi!

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Tutto questo è dovuto alla loro alta capacità riproduttiva e alla loro capacità di vivere in ogni tipo di ambiente

PROKARYOTES BACTERIA

ARCHAEA

EUKARYOTES PLANTS

FUNGI

ANIMALS

IFFERENZE TRA CELL EUCARIOTICA E PROCARIOTICA CELL PROCARIOTICA NON COMPARTIMENTALIZZATA

CELL PROCARIOTICA HA SOLO UN CROMOSOMA CIRCOLARE RIBOSOMI PROCARIOTICI 70S (30S +50S)).

MEMBRANA BATTERICA NON CONTIENE STEROLI

Confronto con cellula eucariota:

Dimensione batteri: il diametro dei più comuni cocchi è di circa 1µ m (µ m = millesima parte del millimetro!), mentre di un tipico bastoncello è di 1 x 3 µ m. I batteri non si vedono ad occhio nudo, è necessario utilizzare un microscopio ottico!

COLORAZIONE DEI BATTERI: • essiccamento e fissaggio dei batteri sul vetrino • colorazione del preparato (per identificare la morfologia, per differenziare i batteri). Esempio: COLORAZIONE DI GRAM

GRAM +/GRAMSUDDIVISIONE BASATA SULLA COLORAZIONE DIFFERENZIALE DEI BATTERI CON CRYSTAL VIOLET

Gram positivi

Colorazione di gram di un preparato cellulare

MORFOLOGIA I • BATTERI SFERICI--> COCCHI 1. DIPLOCOCCHI 2. STREPTOCOCCHI (a catenella) 3. STAFILOCOCCHI (a grappolo) 4. SARCINE ( a forma di cubo) BATTERI A BASTONCINI 1. BACILLI 2. COCCOBACILLI

MORFOLOGIA II • BATTERI INCURVATI 1. VIBRIONI (cilindrici con curvatura sull’asse maggiore) 2. SPIRILLI (poche e larghe volute sinusoidali) 3. SPIROCHETE (numerose e ravvicinate volute sinusoidali)

Classificazione su base morfologica: • cocchi (A: diplococchi, B: streptococchi, C: stafilococchi) • bacilli (D) • coccobacilli (E)

• Fusiformi (F)

Filamenti (G)

• Vibrioni (H)

Spirilli (I)

• Sarcine (L)

I batteri si trovano ovunque: Anche se non li possiamo vedere ad occhio nudo, i batteri sono ovunque nell'ambiente che ci circonda; alcuni di essi vivono addirittura negli ambienti più inospitali, come i fondali oceanici, i ghiacciai o i geyser

Thermus aquaticus è stato isolato dai geyser del parco dello Yellowstone

Batteri termofili: crescono ad alte temperature (4770°C)

Batteri mesofili: crescono a temperature intermedie (20-45°C)

Batteri psicrofili: crescono a basse temperature (025°C)

Anche l’uomo è abitato da milioni di batteri!

BATTERI SIMBIONTI, BATTERI COMMENSALI

BATTERI PATOGENI

Metodi di trasmissione: saliva, aerosols, sangue, contatto con la pelle, secrezioni genitali, via oro-fecale

Batteri PATOGENI: causano malattie nell’uomo

Quindi…Tutti i batteri causano malattia?

No! Solo alcuni batteri e solo in alcune cirscostanze essi possono causare malattie!

I batteri hanno una struttura molto semplice:

Struttura di una cellula batterica • L’organizzazione cellulare dei batteri è quella tipica dei procarioti • Non contengono alcune componenti della cellula eucariotica: mancano nucleo, mitocondri, cloropasti, reticolo endoplasmico e apparato del Golgi • Comprende tipicamente alcune COMPONENTI FONDAMENTALI (necessarie per la sopravvivenza) e COMPONENTI ACCESSORIE (funzioni accessorie)

COMPONENTI FONDAMENTALI

– Membrana citoplasmatica – Nucleoide – Ribosomi – Parete

MEMBRANA CITOPLASMATICA – molto simile a quella delle cellule eucariotiche – doppio strato fosfolipidico contenente proteine, dallo spessore di circa 10 µ m – Regola gli scambi con l’ambiente esterno, contiene enzimi che contribuiscono alla sintesi della parete, interviene nel processo di divisione cellulare

CITOPLASMA –Il citosol della cellula batterica è un gel colloidale che contiene l’80% di acqua –È molto meno complesso rispetto a quello della cellula eucariote –Contiene:  NUCLEOIDE  RIBOSOMI

NUCLEOIDE • I BATTERI NON POSSIEDONO IL NUCLEO! Il DNA cromosomico batterico è immerso direttamente nel citosol, in forma superavvolta e spesso associato a particolari regioni della membrana citoplasmatica (MESOSOMI), dove risiedono gli enzimi per la replicazione batterica • Contiene tutta l’informazione genetica del batterio • RICORDA: il genoma dei batteri e aploide!

NUCLEOIDE

RIBOSOMI • Strutture deputate alla processo della TRADUZIONE (sintesi proteica da uno stampo di mRNA) • Sono molto più abbondanti dei ribosomi della cellula eucariote • Hanno un coefficiente di sedimentazione di 70S (due subunità: 30S e 50S)

RIBOSOMI

RIBOSOMI

Ribosoma 70S e traduzione

PARETE • E’ localizzata esternamente alla membrana citoplasmatica cellulare • E’ responsabile della forma e della rigidità della cellula batterica • I procarioti non sopravvivono in assenza di parete (ad eccezione dei micobatteri)

FUNZIONI: • RIGIDITA’ E ROBUSTEZZA DELLA CELLULA BATTERICA • RESISTENZA MECCANICA CONTRO LA LISI OSMOTICA IN AMBIENTE IPOTONICO • DIVISIONE CELLULARE • INIBISCE LA FAGOCITOSI DELLA CELLULA BATTERICA

PARETE

PEPTIDOGLICANI (1) Il costituente principale della parte batterica è un polimero chiamato peptidoglicano, più spesso nei batteri GRAM + e sottile nei GRAM -. I due monomeri che lo costituiscono sono degli amminozuccheri, chiamati N-acetilgucosammina (NAG) e acido acetil Muranico (NAM), uniti tra loro mediante legami glicosidici B 1-4 e B 1-6. Ad ogni molecola di acido N-acetil Muranico sono legati 5 amminoacidi, di cui il 1° è la L-alanina, mentre gli ultimi due sono costituiti da D-alanina.

PEPTIDOGLICANI (2) Tanti monomeri NAG e NAM danno quindi origine ad una molecola di peptidoglicano, e più molecole di peptidoglicano si legano tra loro per formare la parete batterica. Tale associazione è garantita dall'azione di un enzima, chiamato TRANSPEPTIDASI, che dà origine ad un legame peptidico tra il terzo amminoacido di una catena ed il quarto della catena parallela.

LO SAPEVI CHE…..: La penicillina, noto antibiotico, agisce proprio a questo livello, impedendo il legame tra il terzo ed il quarto amminoacido delle due catene parallele.

Il lisozima, potente antibatterico presente nella saliva e nelle lacrime, rompe invece il legame β 1-4 che tiene uniti i monomeri NAM e NAG.

A seconda della struttura della parete, i batteri possono essere distinti in due grandi gruppi: Gram+ e Gram-, facilmente riconoscibili grazie alla colorazione di Gram

GRAM + • SPESSORE 20-80 nm • COSTITUITA DA UNO STRATO OMOGENEO DI PEPTIDOGLICANI

GRAM • LA PARETE E’ COSTITUITA DA UNO STRATO MOLTO SOTTILE DI PEPTIDOGLICANI E DA UNA MEMBRANA ESTERNA •SPESSORE TOTALE: 10 nm

MEMBRANA ESTERNA • tipica ed esclusiva dei GRAM -. Essa è formata da due foglietti, di cui: - il più interno è di natura fosfolipidica - mentre l'esterno è costituito da una molecola liposaccaridica ripetuta, il cosiddetto LPS (o lipopolisaccaride).

LIPOPOLISACCARIDI (LPS) La parte esterna è chiamata ANTIGENE O, è di natura polisaccaridica, è diversa da batterio a batterio. STRUTTURA ANTIGENICA La parte centrale, di natura polisaccaridica, è chiamata C (o core) ed è uguale per tutti i batteri.

Di natura lipidica, è uguale per tutti i batteri GRAM-

LPS è costituito da 3 porzioni: • Porzione LIPIDICA. LIPIDE A: ACIDI GRASSI SATURI LEGATI A UN DIMERO DI NAG • PORZIONE POLISACCARIDICA - CORE R: NUCLEO POLISACCARIDE (GLUCOSIO, GALATTOSIO, APTOSO, ACIDO 2-CHETO3 DEOSSIOTTONICO KDO) - CATENA LATERALE O POLISACCARIDE O

Il lipide A, libero in soluzione, è tossico x l’uomo ed è chiamato ENDOTOSSINA.

Provocano i sintomi più comuni di un’infezione da batteri Gram-, come ad esempio la febbre

STEPS OF CRYSTAL VIOLET STAINING: STEP 1. STAINING WITH CRYSTAL VIOLET. STEP 2. FIXATION WITH IODINE STABILIZES CRYSTAL VIOLET STAINING. ALL BACTERIA REMAIN PURPLE OR BLUE. STEP 3. EXTRACTION WITH ALCOHOL OR OTHER SOLVENT. DECOLORIZES SOME BACTERIA (GRAM NEGATIVE) AND NOT OTHERS (GRAM POSITIVE). STEP 4. COUNTERSTAINING WITH SAFRANIN. GRAM POSITIVE BACTERIA ARE ALREADY STAINED WITH CRYSTAL VIOLET AND REMAIN PURPLE. GRAM NEGATIVE BACTERIA ARE

Strutture ACCESSORIE

• Capsula • Appendici filiformi – Pili – Flagelli • Plasmidi

Pili (fimbriae) • Appendici proteiche rigide costituite da subunità di PILINA:

• Pili comuni: funzione adesiva, per colonizzare le mucose • Pili sessuali: mediano l’adesione fra cellule batteriche durante il processo di coniugazione, per il trasferimento del fattore F

FLAGELLI • Organelli locomotori per il movimento attivo della cellula batterica (es: risposta a nutrienti o a sostanze tossiche) • Formati da subunità della proteina flagellina

RICORDA: non tutti i batteri sono dotati di flagelli! I batteri che non possiedono flagelli sono fissi, quindi incapaci di compiere un movimento autonomo, mentre i batteri che possiedono flagelli sono dotati di una mobilità più o meno spiccata.

MONOTRICHI

PERITRICHI

LOFOTRICHI

ANFITRICHI

• batteri MONOTRICHI: un solo flagello ad un polo della cellula • batteri ANFITRICHI: flagelli a ciascuno dei due poli • batteri LOFOTRICHI: un ciuffo di flagelli ad un polo della cellula • batteri PERITRICHI: flagelli distribuiti in più punti intorno alla cellula

• L’uncino fa in modo che il flagello sia connesso alla sua regione basale, che imprime il movimento al flagello stesso

• meccanismo della chemiotassi: una sostanza attraente o repellente instaura un segnale a cascata nella cellula batterica, che provoca la rotazione del flagello in senso orario o antiorario (se il batterio è attratto)

DIFFERENZE FRA PILI E FLAGELLI:

CAPSULA • Molti batteri secernono polimeri polisaccaridici che si depositano esternamente alla parete formando un rivestimento esterno detto CAPSULA • funzioni: ADESIONE AI TESSUTI DELL’OSPITE, RESISTENZA ALLA FAGOCITOSI, PROPRIETA’ ANTIGENICHE Identificazione di batteri capsulati tramite inchiostro di china: le particelle di carbone non riescono a penetrare nella capsula e quindi i batteri appariranno circondati da un alone chiaro

Plasmidi • • • • • •

Molecole di DNA bicatenario, indipendenti dal cromosoma batterico, si trovano nel citosol DNA circolare Geni non essenziali, ma utili Possono codificare per fattori di virulenza (TOSSINE), o fattori di resistenza ad antibiotici Replicazione autonoma Una o più copie

SPORE BATTERICHE •

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Quando una cellula batterica entra in una fase di latenza metabolica per la mancanza di condizioni idonee alla vita (carenza di nutrienti, temperature eccessivamente alte o basse ecc.), circonda il proprio DNA con una serie di strutture protettive (corteccia, mantello ed esosporio) e lo espelle. Grazie a questa sorta di guscio estremamente resistente la spora può sopravvivere a condizioni ambientali particolarmente sfavorevoli (come la cottura degli alimenti) e riattivarsi - con un processo chiamato germinazione - non appena queste tornano idonee alla vita.

ESEMPIO DI SPORA

RIPRODUZIONE SCISSIONE BINARIA: processo asessuato in cui una cellula batterica si divide in due cellule figlie identiche Due fasi distinte: • incremento delle dimensioni del batterio, che sintetizza e sviluppa le varie strutture cellulari • divisione della cellula madre per originare due cellule figlie

PATOGENICITA’ DEI BATTERI Capacità di un batterio di indurre malattia

NON TUTTI I BATTERI SONO PATOGENI… •

Come già anticipato, non tutti i batteri arrecano danni all'organismo che li ospita • Sono definiti simbionti quei batteri che colonizzano un determinato organismo apportandogli un certo vantaggio, commensali quelli che non arrecano né danni né vantaggi, e patogeni quelli che danneggiano l'organismo (producono tossine lesive per la salute dell'ospite). Da notare che questa divisione non è netta; molti batteri commensali, per esempio, possono diventare patogeni quando colonizzano un tessuto diverso da quello in cui sono normalmente presenti (molti batteri intestinali, ad esempio, sono responsabili di cistiti e vaginiti). • Il termine infezione sta ad indicare la capacità di un determinato batterio di entrare nell'organismo e moltiplicarsi; ciò non è necessariamente sinonimo di patogenicità, che si ha solamente nel caso in cui il batterio produca sostanze tossiche che arrecano danno all'ospite.

Dopo la nascita, la pelle, la cavità orale e le mucose che rivestono il tratto respiratorio, gastrointestinale e genitourinario vengono rapidamente colonizzati da un gran numero di batteri non patogeni, costituendo la flora normale.

Batteri SIMBIONTI: esempio FLORA BATTERICA INTESTINALE Il nostro l'intestino, è colonizzato da moltissimi microrganismi che, nel loro insieme, costituiscono la flora batterica intestinale. Nell’intestino umano albergano infatti circa 400 specie batteriche. Favoriscono le funzioni digestive, producono vitamine, proteggono dall’invasione di batteri patogeni

BATTERI PATOGENI • Sono note circa 200 specie di batteri patogeni, responsabili di numerose malattie dell’uomo. Il grado di patogenicità può variare a seconda della virulenza della specie batterica e delle condizioni generali dell’organismo ospite. Fra le malattie batteriche più gravi vi sono colera, tetano, lebbra, peste, dissenteria, tubercolosi , sifilide, febbre tifoide, difterite, brucellosi e polmonite. Prima della scoperta dei virus, i batteri erano considerati gli agenti causali di tutte le malattie infettive.

PRINCIPALI FASI DEL PROCESSO PATOGENETICO DEI BATTERI

VIE DI TRASMISSIONE • • • • •

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CONTATTO DIRETTO INGESTIONE di cibi contaminati (E.Coli) VIA AEREA SESSUALE: malattie veneree (gonorrea) IATROGENA: letteralmente significa «originata da un medico». Si riferisce a quel tipo di trasmissione che si verifica nel corso di pratiche mediche o chirurgiche. Può avvenire per introduzione di patogeni mediante strumentazione non sterile oppure farmaci o vaccini accidentalmente contaminati da agenti patogeni VETTORI ESTERNI (zecche, zanzare, mosche) (malattia di Lyme)

DOVE INIZIA UN’INFEZIONE.. occhi naso e bocca gola vie aeree e polmoni pelle stomaco e intestino tratto urinario tratto genitale

MECCANISMI DI DIFESA DELL’OSPITE:

Anche meccanismi comportamentali come il vomito e la tosse aiutano a prevenire le infezioni nelle vie respiratorie inferiori. RICORDA: le mucose sono spesso rivestite da uno strato spesso di muco, costituito da glicoproteine, che protegge gli epiteli.

ADESIONE Il batterio, per poter superare le barriere chimicho-fisiche dell’organismo ed attraversare lo strato dell’epitelio, ha messo a punto una serie di strategie

UN ESEMPIO…ESCHERICHIA COLI

I ceppi di E.Coli che invadono le vie urinarie possiedono dei pili che interagiscono in modo specifico con le glicoproteine che rivestono l’epitelio della vescica

INVASIONE (1) CAPACITA’ DI PENETRARE ATTRAVERSO L’EPITELIO E DIFFONDERSI NEL TESSUTO • Batteri che invadono i tessuti in seguito a danno fisico (microlesioni degli epiteli, produzione di enzimi come la collagenasi) • Batteri che passano attraverso le giunzioni delle cellule epiteliali (Haemophilus Influenzae) • Batteri che vengono assorbiti per endocitosi (in assenza quindi di danno fisico)

PASSAGGIO ATTRAVERSO GLI EPITELI

Esempio: Neisseria gonorrhoeae è in grado di invadere l’epitelio genitourinario per endocitosi delle cellule epiteliali ed è poi liberato nello spazio submucoso, da dove può invadere i tessuti

INVASIONE (2) CAPACITA’ DI DIFFONDERSI NEL TESSUTO • Produzione di IALURONIDASI (distrugge l’acido ialuronico, una sostanza che svolge funzione di collante nei tessuti • Produzione di COLLAGENASI, che quindi degrada la trama di collagene nei tessuti • Produzione di ENZIMI FIBRINOLITICI, per la distruzione dei coaguli di fibrina che si formano in corrispondenza di una lesione tissutale per delimitare l’infezione

In seguito alla penetrazione, il batterio può rimanere localizzato e formare un focolaio d’infezione oppure raggiungere il circolo ematico o linfatico e invadere l’organismo

Batteriemia Infezione sistemica

PRODUZIONE DI TOSSINE VELENI MACROMOLECOLARI CHE PROMUOVONO LA PATOGENESI DEL BATTERIO, ATTRAVERSO LA LORO TOSSICITA’ 1. ESOTOSSINE: DI NATURA PROTEICA, PRODOTTE IN FORMA SOLUBILE DA BATTERI E DIFFUSE NEI TESSUTI DELL’OSPITE. FRA QUESTE ANCHE LE ENTEROTOSSINE. SIA GRAM+ CHE GRAM2. ENDOTOSSINE: LIPOPOLISACCARIDI (LPS), LIBERATI IN SEGUITO A DISGREGAZIONE DEL BATTERIO (SOLO GRAM -)

ESOTOSSINE

TOSSINE A-B TOSSINE CITOLITICHE

TOSSINE SUPERANTIGENICHE

Tossine citolitiche formano dei canali nella membrana plasmatica, attraverso i quali la cellule perde acqua e sali, fino a morire per LISI

Esempio di tossine citolitiche: emolisine. Provocano lisi dei globuli rossi. La loro produzione può essere visualizzata mediante crescita del batterio su terreno agar sangue

Tossine A-B

ALCUNI ESEMPI DI TOSSINE A-B…..

Tossina tetanica • proteina, peso molecolare 150KDa, tossina A-B • prodotta da Clostridium tetani (batterio anaerobio obbligato, cresce solo nel suolo) • può infettare le ferite dell’uomo, dove può replicarsi e produrre la TOSSINA TETANICA • LA TOSSINA TETANICA causa paralisi spastica

A severe case of tetanus. muscles, back and legs are rigid muscle spasms can break bones can be fatal (e.g respiratory falure) falure)

La tossina risale le terminazioni nervose, arriva fino ai neuroni inibitori, impedisce il rilascio di neurotrasmettito re inibitorio, stimolando quindi la costante liberazione di acetilcolina da parte dei motoneuroni

Contrazione muscolare incontrollata

Tossina botulinica • è costituita da una serie di 8 tossine A-B • è la sostanza più velenosa che si conosca! • prodotta da Clostridium botulinum (batterio anaerobio obbligato) • LA TOSSINA BOTULINICA causa paralisi flaccida e morte per arresto respiratorio

Clostridium botulinum può infettare e produrre la tossina in alimenti non correttamente conservati:

Sott’olio Insaccati  Essiccati  Sotto vuoto

Inibisce il rilascio di acetilcolina da parte dei motoneuroni stimolatori

Inibizione della contrazione muscolare, paralisi flaccida

TOSSINA COLERICA

TOSSINE SUPERANTIGENICHE

Stimolano un largo numero di cellule deputate alla risposta immunitaria, provocando così un’estesa risposta infiammatoria

ENDOTOSSINE (1)

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SONO TOSSINE TERMOSTABILI

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SONO LIBERATE DOPO LA LISI BATTERICA

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TOSSICITA’: DOVUTA AL LIPIDE A DELL’LPS

LIPOPOLISACCARIDI (LPS)

ENDOTOSSINE (2) • Il lipide A, quando viene liberato in grandi quantità dopo la morte dei batteri, produce una serie di sintomi negativi, primo fra tutti il rialzo termico (si dice che le endotossine possiedono un'elevata pirogenicità). Tali sintomi sono mediati dal rilascio di sostanze con potente azione infiammatoria (come certe prostaglandine e l'interleuchina-1) • Si ha poi un'attivazione dei meccanismi che portano alla coagulazione del sangue e ad una vasodilatazione periferica, con aumento della permeabilità capillare (formazione di edemi e possibile shock ipodinamico nelle persone già sofferenti di pressione bassa).

ANTIBIOTICI • Gli antibiotici sono sostanze elaborate da organismi viventi o prodotte in laboratorio, capaci di determinare la morte dei batteri o di impedirne la crescita. • Gli antibiotici hanno un’origine naturale; questi ultimi provengono, ad esempio, dal metabolismo di miceti (muffe) o da quello di determinati batteri (streptomiceti). Gli antibiotici rappresentano una categoria farmaceutica in costante evoluzione, per cui molte molecole naturali sono state modificate chimicamente ottenendo nuovi farmaci, detti di semisintesi.

ANTIBIOTICI: CLASSIFICAZIONE A seconda degli effetti sul microrganismo, gli antibiotici si dividono in: -

ANTIBIOTICI BATTERIOSTATICI: bloccano la crescita del batterio, agevolandone l'eliminazione da parte dell’organismo. ANTIBIOTICI BATTERICIDI: determinano la morte del batterio.

A seconda dello spettro d’azione, gli antibiotici si dividono in: - ANTIBIOTICI AD AMPIO SPETTRO: attivi nei confronti sia dei batteri gram positivi, sia di quelli gram negativi. - ANTIBIOTICI A SPETTRO RISTRETTO: agiscono solo su determinati batteri.

ANTIBIOTICI: MECCANISMO D’AZIONE Gli antibiotici si possono distinguere sulla base del loro bersaglio biologico, quindi sulla capacità di: •

inibire la sintesi della parete cellulare (penicilline e cefalosporine)

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disgregare la struttura lipidica della parete cellulare (polimixine)

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inibire la sintesi proteica agendo sulla subunità minore (30s) del ribosoma (come la tetraciclina e gli aminoglicosidi, tra cui la gentamicina) o su quella maggiore (50s), come il cloramfenicolo ed i macrolidi.

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inibire la sintesi di acidi nucleici agendo sulla duplicazione del DNA (novobiocina) o sulla sua trascrizione in RNA (rifamicine).

ANTIBIOTICO-RESISTENZA • E’ un fenomeno per cui un batterio risulta resistente all'attività di un farmaco antimicrobico. • Si instaurano in seguito a modificazioni nel patrimonio genetico dei batteri • Negli anni, l‘antibiotico-resistenza è diventata sempre più importante • Esempio: inattivazione intracellulare dell'antibiotico (provocata dalla produzione di enzimi che inattivano l'antibiotico es. beta lattamasiRESISTENZA A PENICILLINA E CEFALOSPORINE) • Altri meccanismi: diminuita penetrazione dell’antibiotico nella cellula, ridotta affinità per il bersaglio dell’antibiotico