CURS
3
METABOLISMUL
BACTERIAN.
CRESTEREA
SI MULTIPLICAREA BACTERIILOR.
GENETICA
BACTERIANA. MEDIILE DE CULTURA.
Caracteristicile
metabolismului bacterian
-
este un metabolism unicelular, se desfăşoară intr-o singură
celulă;
-
este un metabolism necompartimentat, caracteristic procariotelor
(lipsa organitelor citoplasmatice).
-
este un metabolism teleonomic, in timpul evolutiei au fost selectate
acele căi metabolice şi acele mecanisme de reglare care să-i
asigure o eficientă maximă;
-
se caracterizează printr-o mare flexibilitate metabolică, o
capacitate crescută de adaptare în condiţii foarte variate de
mediu;
-
este un metabolism de mare intensitate ceea ce asigură o
multiplicare rapidă cu timp de generatie de 20' (celulele de
mamifere au timp de generaţie de cel puţin 24 ore).
●
Metabolismul bacterian
Metabolismul
bacterian este reprezentat de totalitatea proceselor biochimice
intracelulare prin care substratul
nutritiv este transformat in energie şi constituenţi celulari.
Metabolismul
bacterian este de două tipuri:
-
metabolism energetic
- prin care se asigură respiratia bacteriană şi este realizat prin
reacţii catabolice;
-
metabolism de sinteză
- prin care se asigură sinteza componentelor bacteriene şi se
realizează prin reacţii anabolice şi catabolice.
*
Metabolismul energetic poate avea două
surse de energie:
-
lumina, în cazul bacteriilor fotosintetizante,
-
reactii biochimice de oxido-reducere, în cazul bacteriilor
chimiosintetizante.
Majoritatea
sunt chimiosintetizante.
Clasificare:
a)
În functie de natura acceptorului final de hidrogen
există tipuri de respiratii:
Respiratie
aerobă (oxibiotică):
-
acceptorul final este oxigenul atmosferic, 02,
iar produsul rezultat este apa.
Acest
proces este deservit de mai multe sisteme enzimatice dehidrogenazice:
nicotinice, flavinice, citocromii.
-
în urma acestor reactii se eliberează o cantitate mare de energie.
Respiratie
anaerobă (anoxibiotică):
-
acceptorul final este orice substanţă anorganică diferită de
oxigen, ex. CO2
sau o substantă organică (fermentaţie).
-
din punct de vedere energetic, fermentaţia este inferioară
respiratiei aerobe, ea furnizează de 12-19 ori mai puţină energie
(ATP).
b)
În funcţie de potenţialul redox,
bacteriile pot trăi în medii cu cantitaţi variate de oxigen şi se
împart în patru tipuri respiratorii:
1.Bacterii
strict aerobe
-
aceste bacterii cresc numai în prezenţa unei cantităţi mari de
oxigen;
-
ele au următoarele enzime: catalază, peroxidază şi citocromi.
2.
Bacterii strict anaerobe
-
cresc numai în absenta oxigenului, sunt lipsite de enzimele de mai
sus ;
-
aceste bacterii sunt foarte sensibile la acţiunea oxigenului, care
le este toxic.
3.
Bacterii aerobe, facultativ anaerobe
-
au posibilitatea ambelor tipuri de respiratie, în funcţie de
existenţa oxigenului.
4.
Bacterii anaerobe microaerofile
-
tolerează cantităţi mici de oxigen, probabil prin achiziţia unor
enzime de tip catalazic.
*
Metabolismul de sinteză
Este
suma proceselor metabolice, ce concură la procurarea de materiale
convertibile in energie şi componente celulare, necesare creşterii
şi multiplicării bacteriene.
În
functie de modul de procurare a acestor elemente,
bacteriile sunt de trei tipuri :
a.
Autotrofe: utilizează pentru sinteze
azotul şi carbonul din compuşi anorganici simpli: CO2,
NH3,
NO2,
NO3.
b.
Heterotrofe: utilizează pentru sinteze
azot şi carbon din substanţe organice diferite, produşi de alte
organisme, putându-şi sintetiza singure metaboliţii esenţiali.
Majoritatea
bacteriilor sunt in această categorie.
c.
Parotrofe: sunt bacteriile care nu-şi
pot sintetiza singure metaboliţii esentiali. Ele
se dezvoltă numai intracelular.
Ex.
Rickettsia prowazeki,
agentul tifosului exantematic.
●
Genetica microbiană
După modelului lui Watson şi Crick (1953), molecula de
ADN este reprezentată in lumea vie, deci şi la procariote, de un
dublu helix constituit din două lanţuri complementare
polinucleotidice, cu caracter de polimer, format printr-o repetare de
unităti dezoxiribonucleotidice, esterificate.
În fiecare dintre aceste lanţuri, elementele
caracteristice ale unităţilor dezoxiribonucleotidice, adică bazele
azotate, purinice şi pirimidinice, sunt orientate într-o succesiune
specifică de-a lungul unei coloane alcătuită printr-o alternantă
regulată de dezoxiribozâ si grupari fosfat.
Cele două lanţuri sunt menţinute faţă în faţă
prin punti de hidrogen (legătură de natură electrostatică), ce se
realizează între bazele azotate aparţinând celor două catene.
Legăturile de hidrogen (datorită condiţiilor
stereochimice) se pot realiza numai între bazele structural
complementare: adenină şi timină, între guanină şi citozină,
această situaţie reprezintă - principiul împerecherii
bazelor - , ea determină complementaritatea celor două
lanţuri din molecula de ADN.
Genotipul este totalitatea informaţiei genetice
pe care o posedă un anumit organism.
Fenotipul este totalitatea caracterelor exprimate
de un organism, el poate prezenta variaţii importante, care sunt în
mare măsură influenţate de conditiile de mediu. Modificările în
fenotip survenite in timpul vietii unui organism nu se transmit
descendenţilor, în timp ce orice alterare a genotipului va afecta
şi descendentii.
▪
Materialul genetic nuclear (cromozomul bacterian este
format dintr-un ADN dublu catenar, helicoidal , care deţine
informaţia pentru funcţiile vitale ale bacteriei.
▪
Celula bacteriană este haploidă pentru că are un
singur cromozom (un singur lanţ ADN).
▪
Cromozomul nu este învelit de membrană nucleară,
venind în contact cu citoplasma.
▪
Desfăşurat cromozomul are o lungime de cca. 1 mm şi
are o formă circulară (dimensiuni imense raportat la dimensiunea
celulei).
▪
Prezintă însă un arnajament spatial special, realizat
printr-o “infaşurare” sau “împachetare", ce îi permite
să ocupe în celulă un spaţiu foarte mic şi care explică
totodată aspectul de structură fibrilară pe care îl prezintă
materialul nuclear bacterian.
●
Componentele unui cromozom
Gena
este o mică porţiune a genomului, o secvenţă anumită de
nucleotide (dispuse liniar), care codifică informaţia pentru o
proteină.
Cistronul
este cea mai mică subunitate a genomului, care codifică informaţia
pentru un lanţ polipeptidic şi poate fi un sinonim al genei.
Codonul
este unitatea morfologică formată din 3 baze azotate succesive care
codifică inserarea uni aminoacid dintr-un lanţ polipeptidic.
ADN-ul
este format din:
-
baze purinice: adenină (A) şi guanină (G):
-
bazc pirimidinice citozină (C) şi timină (T).
ARN-ul
este format din aceleaşi baze purinice şi pirimidinice, dar timina
(T)
este înlocuită cu uracilul (U).
Pe
matriţa de ADN, ARN polimeraza, ADN-depententă, sintetizează un
ARNm (mesager) complementar cu portiunea de ADN respectivă, care ia
nivelul ribozomilor este decodificat în proteine.
●
Materialul genetic
extracromozomial
Este
format din ADN dublu catenar, helicoidal.
Deţine
informaţii neesenţiale pentru bacterie care se pot pierde fără a
afecta viata bacteriei, contribuind la valabilitatea bacteriană.
Acest
material este reprezentat de:
1.
Plasmide propriu-zise, care sunt
formaţiuni de ADN circular, nu se integrează in cromozom, se află
numai în stare autonomă. Ele au capacitatea de a se replica
autonom.
Se
cunosc mai multe feluri de plasmide:
a.
Factorul ”R"de rezistentă.
-
contine una sau mai multe gene care codifică rezistenta fata de unul
sau mai multe antibiotice sau chimioterapice.
-
se multiplica independent de ritmul de multiplicare a cromozomului.
b.
Factorul “col”, detine informatia
pentru sinteza unor substante cu actiunc antibacteriară (colicine).
c.
Factorul “F", este un factor
independent în citoplasmă.
d.
Bacteriofagul, ca factor independent in
citoplasma, când este inserat in cromozom devine bacteriofag
temperat.
2.
Episomii sunt formati din ADN dublu
catenar, helicoidal, de formă circulară.
Se
pot găsi în stare autonoma sau integrati în cromozomul bacterian.
Sunt
formati din:
a.
Factorul “F" (fertility factor)
care codifică sinteza unui canal de conjugare, pilul
F Factorul „F" a fost descris la
E. Coli
(tulpina K12);
b.
Bacteriofagul, parazitează celula
bacteriară, fiind un virus adaptat.
Se
poate prezenta sub 2 forme:
(1)
forma virulenta, se multiplică pe seama celulei bacteriene şi apoi
o lizează
(2)
forma de profag (bacteriofag temperat), acesta se include in genomul
bacteriei replicându-se odată cu ADN-ul nuclear. Insertia în ADN
se face rupându-se si ADN-ul nuclear si profagul într-un anumit
locus.
Acest
profag poate aduce caractere noi bacteriei care îl câştigă, prin
transductie (fenomen de variabilitate genetică).
3.
Secventă de insertie (SI), sunt
secvente foarte scurte de ADN, care nu detin informatia necesară
codificării unei proteine, dar prin inserarea lor în cromozom sau
în plasmide şi episomi duc la modificări ale expresiei fenotipice.
Aceste
secvente de insertie nu se pot replica autonom.
4.
Transpozoni (Tn), sunt secvente de ADN
liniar, de dimensiuni superioare secventelor de insertie, care detin
informatia pentru sinteza uneia sau mai multor proteine, în general
în legătură cu rezistenta la antibiotice.
Nefiind
în stare autonomă nu se poate autoreplica.
●
Creşterea bacteriilor
Este
procesul biologic prin care bacteriile îşi măresc volumul,
datorită sintetizării de noi produşi şi acumulării apei.
Multiplicarea
bacteriilor
-
aceasta se realizează prin diviziune directă şi rar prin
înmugurire.
-
ritmul de diviziune este foarte rapid de 10-20 min.
-
exceptie face bacilul Koch care are un timp de 18-20 ore.
Cultura
bacteriană
•
Este rezultatul înmulţirii
germenilor într-un mediu favorabil.
•
Aspectul culturii depinde de: specie,
de varsta culturii şi de mediul de cultură.
Bacteriile
pot fi cultivate pe:
-
medii artificiale (acelulare),
-
culturi celulare,
-
ou embrionat de găină,
-
animale receptive (sisteme biologice sensibile -SBS).
Culturile
bacteriene pe medii artificiale.
În
medii lichide
Determină
apariţia unei turbidităti (tulburări a mediului apos) după 18 20
ore în condiţii de crestere specifice bacteriei.
În
funcţie de aspectul turbidităţii culturile pot fi:
Culturi
"S" (smooth)
-
turbiditate omogenă,
-
germenii sunt tineri.
-
virulenţi, care disperseză rapid şi uniform.
Culturi
"R” (rough)
-
mediul este limpede.
-
germenii se găsesc sub formă de grunji (depuşi pe fundul vasului
sau pe pereti).
-
tulbură neomogen mediul.
•
Sunt determinate fie de germeni avirulenţi, nepatogeni,
sau de germeni patogeni îmbătrânite, care şi-au pierdut
virulenta.
•
Uneori creşterea în mediile lichide mai poate fi sub
formă de:
-
văl la suprafaţă, în cazul germenilor aerobi (bacilul
tuberculos);
-
depozit gros pe fundul vasului în cazul germenilor anaerobi.
Creşteren
bacteriilor
Pe
medii solide
Produsul
patologic se însământează prin diverse procedee de dispersie.
Cultura
bacteriană apare sub formă de colonie după 4 ore.
Colonia
bacteriană reprezintă totalitatea germenilor rezultati din
multiplicarea unei singure celule bacteriene, ea este o cultură
pură, sunt germeni identici genetic (monoclonali).
Aspectul
coloniilor
Colonii
de tip "S", Smooth = neted.
Coloniile
au suprafaţa netedă, lucioasă cu margini drepte, de consistenţă
untoasă, cu un diametru de 1-2 mm, se pot detaşa uşor, sunt
alcătuite din germeni virulenti.
Colonii
de tip "R", Rough = aspru.
Coloniile
au suprafată aspră, rugoasă, cu margini neregulnte, crenelate, nu
se pot detaşa o parte din colonie cu ansa, ci doar colonia întreagă.
Aceste
colonii sunt formate din germeni cu structură antigenică afectată,
batrâni, aviruleţii. În această formă
nu se mai pot face identificări.
Colonii
de tip "M" care au suprafaţa
netedă, mucoasă, sunt variante ale coloniilor "S" ale
germenilor cu capsulă (Klebsiella).Ele au tendinta de a se confrunta
intre ele.
Colonii
de tip "G" sunt colonii
pitice, ele rezultă în urma actiunii antibioticelor asupra formelor
"S" de germeni.
Curba
de creştere a bacteriilor
Populaţia
care rezultă prin diviziunea unei bacterii creşte în progresie
geometrică cu raţia 2. Timpul necesar pentru dublarea populatiei se
numeşte timp de dedublare sau timp de generatie. Dinamica reală
este caracterizată printr-o curbă cu patru faze:
1.
Faza de lag
-
în primele 2 ore, numărul de indivizi este aproape constant (faza
de latentă), ea este o fază de acomodare a germenilor la noile
condiţii de mediu.
2.
Faza de multiplicare exponentială sau logaritmică
Este
o fază de creştere rapidiă a numărului bacteriilor. Durează 2-3
ore, curba evoluează exponenţial până în momentul în care una
dintre substantele nutritive din mediu este consumată sau/şi în
mediu se acumulează metaboliţi toxici (factor limitant).
În
această fază bacteriile au dimensiuni constante, citoplasma intens
bazofilă şi omogenă, lipsită de incluziuni. Bacteriile sunt
virulente, antigenele sunt cele mai bine reprezentate.
În
această fază se recoltează germenii pentru prepararea
vaccinurilor.
3.
Faza staţionară
Prin
consumarea substratului nutritiv, ritmul de diviziune scade, numărul
germenilor care mor devine egal cu cel al germenilor care se divid,
deci numărul total al bacteriilor rămâne constant.
Această
fază durează 2-3 zile.
În
această fază se fac identificările bacteriilor, coloniile sunt
bine individualizate.
Bacteriile
din colectiile purulente (abcese) se află în aceasta fază.
4.
Faza de declin
Consumarea
substratului nutritiv şi acumularea de metaboliţi toxici duce la
moartea majoritătii bacteriilor. Celulele rămase vii sunt bătrâne,
îşi pierd virulenlaţa şi patogenitatea.
Faza
durează 2-3 luni. În această fază apar sorii.