ACIZII NUCLEICI
ACIDUL DEZOXIRIBONUCLEIC (ADN)
Se gaseste in celula bacteriana in cantitate relativ constanta la fiecare specie, cuprinsa intre 1-5% din greutatea uscata.
Cea mai mare parte formeaza o macromolecula giganta, care reprezinta nucleotidul, respectiv cromozomul unic al bacteriei (cu o greutate moleculara de 2,5x109).
In citoplasma se mai pot gasi macromolecule de ADN nesemnificative cantitativ, acestea formand plasmidele, respectiv factorii genetici extracromozomali.
In structura acestui component macromolecular intra 4 tipuri de nucleotide care se deosebesc prin baza aminata pe care o contin.
baza aminata purinica (adenina, guanina)
baza pirimidinica (citozina, timina)
Intre bazele aminate existand totdeauna anumite raporturi de echivalenta molara, adenina = timina si guanina
= citozina
(sau A/T si G/C = 1, A+G=C+T si A+G=C+T
S-a conceput modelul de structura al macromoleculei de ADN
Conform acestui model structura si configuratia ADN-ului se incadreaza in parametri foarte bine precizati.
Cele doua catene nucleotidice sunt dispuse in paralel si in spirala in jurul unui ax director, ele formand spire complete la intervale regulate.
Nucleotidele au moleculele fosforice orientate spre exteriorul catenelor situate de axul director.
Bazele aminate sunt orientate spre interior si ca urmare ele se gasesc dispuse fata in fata cu bazele din catena congenera, intre ele stabilindu-se legaturi prin punti de H.
Se formeaza astfel secvente de baze aminate suprapuse una peste alta.
Datorita acestei structuri, macromolecula de ADN se aseamana cu o scara in spirala, ale carei trepte sunt formate din secvente de baze purinice si pirimidinice, fiecare spira a helixului continand o succesiune de 10 asemenea secvente.
Nucleotidele care alcatuiesc catenele se leaga intre ele prin legaturi fosfodiesterice, stabilite intre gruparile C3' si C5' ale pentozelor invecinate, sensul de formare a catenei fiind totdeauna C3'-C5'.
Ca urmare, la capatul moleculei de ADN, o catena are pozitia libera C3' iar cealalta catena pozitia C5'.
Aceasta inseamna ca sensul de polimerizare a catenelor este contrar si, ca urmare, cele doua catene de ADN sunt, de fapt, antiparalele, ceea ce are o mare importanta in realizarea procesului de replicare (automultiplicare).
Macromoleculele de ADN sunt caracterizate printr-o stabilitate remarcabila, conferita
pe verticala de legaturile fosfodiesterice dintre pentoze, care formeaza o veritabila coloana vertebrala (backbone),
- pe orizontala prin legaturile de hidrogen dintre bazele situate fata in fata
La consolidarea macromoleculei contribuie insa si fortele electronice dintre orbitalele bazelor aminate, generate prin procesul de stivuire a acestora (stacking).
Intre A-T se stabilesc legaturi prin doua punti de hidrogen, iar intre G-C prin trei punti de hidrogen
De aceea, cu cat ADN-ul este mai bogat in secvente G-C, cu atat stabilitatea sa creste. Pe de alta parte, zonele mai bogate in secvente G-C au o rigiditate mai mare
Caracteristica structurala esentiala a ADN-ului consta insa in legitatea complementaritatii intre bazele aminate purinice si pirimidinice, in sensul ca A - se leaga totdeauna cu T, iar G numai cu C.
De aceea in oricare molecula de ADN dublu catenar secventele sunt constituite numai din patru aranjamente: A-T; T-A; G-C; C-G
AND
cromozom - in care se gasesc cuprinse totalitatea genelor esentiale cresterii si multiplicarii celulei in conditii normale.
formatiuni genetice extracromozomale, denumite plasmide
CROMOZOMUL
este alcatuit dintr-o singura macromolecula de ADN, de forma unui filament helicoidal dublu catenar. Capetele filamentului sunt legate intre ele, conferind astfel cromozomului bacterian o configuratie circulara.
Lungimea filamentului de ADN cromozomal este de cca 500 ori mai mare decat a bacteriei. El se gaseste in celula pliat si superspiralat in jurul propriului ax, de o maniera ordonata, constituind astfel o masa de materie cromatica densa si compacta, care reprezinta nucleoidul celulei bacteriene
Marimea macromoleculei de ADN cromozomal variaza in raport cu specia si cantitatea de informatie genetica pe care o detine.
PLASMIDELE
sunt factori genetici extracromozomali
cantitativ reprezinta pana la 1% din masa genomului bacterian.
se gasesc in citoplasma ca elemente genetice autonome.
unele plasmide au insa proprietatea de a se putea integra tranzitoriu in cromozom, replicandu-se si functionand solidar cu acesta.
Cele mai amplu studiate sunt:
factorul "F",
factorul "R",
factorul "col",
factorul "ent"
plasmidele sunt asemanatoare unor "microcro-cromozomi", fiind formate din molecule de ADN bicatenar cu configuratie circulara
poseda propriul lor sistem de replicare - autoreplicarea decurge independent, fara nici o corelatie cu a cromozomului si cu diviziunea celulara.
Datorita acestui fapt plasmidele se gasesc in celula intr-un anumit numar de copii (de la 1 la cateva sute),
pasajul plasmidelor de la o celula donatoare la alta receptoare se poate realiza prin diverse modalitati, dar de cele mai multe ori prin conjugare.
sunt caracterizate printr-o specificitate relativa de gazda, in sensul ca fiecare tip de plasmida se poate instala si mentine numai in gazda ei naturala sau cel mult in celulele unor specii strans inrudite filogenetic
face insa exceptie plasmida "R" are un spectru larg care ii permite sa se instaleze in celulele unor specii bacteriene foarte variate.
pot fi grupate in diferite categorii, in functie de anumite caracteristici care se iau in considerare
In raport de capacitatea de integrare in cromozom, doua categorii:
plasmide integrabile (sau epizomi) care se pot gasi fie in stare autonoma in citoplasma (faza plasmidica), fie in stare integrata in cromozom (faza epizomala)
plasmide neintegrabile care se gasesc totdeauna ca elemente genetice autonome in citoplasma.
In raport cu capacitatea de a induce procese de conjugare si cu proprietatea de a se autotransfera pe aceasta cale, doua categorii:
plasmide conjugative (conjugoni)
plasmide neconjugative
Tipuri de plasmide
Plasmidele "F" (sau de "fertilitate"). Formeaza o categorie de plasmide conjugative relativ mari -12 gene
celulele purtatoare de plasmida "F" sunt considerate arbitrar "mascule" (F+), ele avand proprietatea de a se putea conjuga cu celulele F- lipsite de plasmida si considerate arbitrar "femele"
Plasmidele "col" specifice la E. Coli - sinteza de colicine, iar la alte bacterii sinteza de bactericine
Plasmidele "R" (de rezistenta) - confera caracterele de rezistenta extracromozomala la chimioterapice si antibiotice
Numarul genelor "R" variaza de la o plasmida "R" la alta, putand conferi rezistenta de la una pana la toate chimioterapicele si antibioticele de interes medical. De cele mai multe ori numarul acestor gene este insa cuprins intre 1-6
Genele "R" specifica sinteza unor enzime capabile sa distruga antibioticele sau chimioterapicele
Alte tipuri de plasmide:
Plasmida "Ent", codifica sinteza enterotoxinei la E. coli enteropatogeni;
Plasmida "Hly", codifica sinteza de hemolizine la E. coli;
Plasmidele "K88" si "K99" codifica sinteza antigenilor respectivi continuti in pilii colibacililor enteropatogeni, prin care acestia pot adera, colonizand" suprafata vilozitatilor intestinale;
Plasmida "Vir", responsabila de virulenta unor colibacili care produc infectii septicemice;
Plasmidele Hg, Cd, As, Ca etc., care confera rezistenta la metalele respective;
Plasmida "UV", care confera o rezistenta crescuta la radiatiile UV;
Plasmidele care codifica enzimele pentru fermentarea lactozei, a zaharozei, productia de H2S s.a..
ARN-UL BACTERIAN
este un polimer ribonucleotidic format din patru tipuri de nucleotide, care contin A, G, C sau U (uracil). Polimerizarea nucleotidelor se realizeaza similar ca la ADN, prin legaturi fosfodiesterice stabilite intre ribozele invecinate, la nivelul gruparilor C3'- C5'
Majoritatea tipurilor de ARN au o structura monocatenara si o configuratie spatiala lineara
Bacteriile contin, la fel ca toate celulele, trei tipuri de ARN implicate in mecanismele de biosinteza a proteinelor: ARNm, ARNt si ARNr.
ARNm (sau mesager) are rolul de a transmite informatia genetica de biosinteza a proteinelor de la cromozom la ribosom si de a specifica ordinea de incorporare a acizilor aminati in lantul polipeptidic.
Reprezinta cantitativ cca 1-2% din totalul ARN-ului celular
ARNt (sau de transport) are rolul de a lega si transporta acizii aminati din citoplasma la ribosomi. Aici se leaga (prin punti de H) la ARNm, la codonul care specifica incorporarea acidului aminat.
Dupa ce acidul aminat a fost incorporat in lantul polipeptidic ARNt se desprinde de ARNm si isi reia functia
ARNr (ribosomal) leaga ribosomii in formatiuni poliribosomale, constituind scheletul structural al acestor formatiuni. Rolul pe care il are in procesele de biosinteza a proteinelor este inca mai putin cunoscut.
Cili (Flageli)
Pili (fimbrii)
Pilii (fimbriile)
Sunt organite filamentoase, cilindrice, foarte subtiri, scurte si drepte, aparent rigide, dispersate pe toata suprafata celulei (ca o perie)
Pilii pot fi pusi in evidenta numai la unele bacterii Gram-negative, prin microscopie electronica.
Pe baza unor caractere morfo-functionale se diferentiaza in 6 tipuri: I, II, III, IV, V si F (pilii de sex).
Structura morfo-chimica
Pilii de tip I-V sunt organite tubulare subtiri, formate din molecule de fimbrilina, dispuse pe un singur rand, intr-un aranjament helicoidal .
Pilii sexuali F sunt organite tubulare putin mai groase si mai lungi, formati din molecule de pilina, o fosfoglicoproteina cu masa moleculara de 11.800 daltoni.
subunitatile acesteia se dispun, pe un singur rand, intr-un aranjament helicoidal, delimitand un canal axial, prin care pot trece moleculele de ADN dublu catenar
Rol biologic
Pilii de tip I-V fac posibila fixarea bacteriilor pe anumite suporturi celulare sau de alta natura pe care le pot astfel si coloniza.
Pilii F (sexuali) sunt organite care asigura in cursul proceselor de conjugare, cuplarea celulelor bacteriene F+ si F-, diferentiate ca polaritate sexuala, canalul piliar servind la transferul de material genetic (ADN) de la celula F+ la F-.
Pilii F (de sex) se gasesc la suprafata celulelor F+. Sinteza lor este specificata si controlata de plasmida F (sau de alte plasmide "sexductoare").
SPORUL BACTERIAN
este o formatiune morfo-biologica dotata cu rezistenta crescuta la agentii fizico-chimici prin care bacteria isi poate conserva viabilitatea timp indelungat, in stare latenta, in conditii in care forma vegetativa nu ar putea supravietui
Proprietatea de a sporula o au un numar restrans de specii bacteriene, toate incadrate in doua familii:
fam. Bacillaceae care incadreaza speciile aerobe ce sporuleaza facultativ;
fam Clostridiaceae care incadreaza speciile anaerobe ce sporuleaza constant.
Sporogeneza
Sporul se formeaza in celula bacteriana prin procese complexe de reorganizare morfo-chimica.
De regula, dintr-o celula bacteriana rezulta un singur spor, iar din acesta - prin germinare - ia nastere o singura forma vegetativa.
Ca urmare, sporogeneza nu constituie pentru bacterii o modalitate si un mijloc de multiplicare.
Sporogeneza este considerata ca un fenomen normal in evolutia celulei bacteriene, procesul fiind controlat si dirijat morfogenetic de cca 50 de gene.
celula devine probabil competenta sa sporuleze numai cand atinge in evolutia sa un anumit stadiu, o anumita maturare biologica.
formele vegetative noi apar intinerite, fiind foarte active metabolic si avand un ritm de diviziune deosebit de intens
sporularea si germinarea sporilor nu sunt fenomene intamplatoare, ci procese supuse permanent unor mecanisme de autocontrol si reglare genetica, dar care pot fi induse de numerosi factori endogeni si exogeni.
Sporogeneza si germinarea sporilor sunt procese controlate si dirijate genetic de aproximativ 50 de gene, situate in cromozom in locus-uri diferite. Acestea se mentin in forma vegetativa in stare represata, pana cand sub actiunea unor factori inductori endogeni si exogeni (de mediu) sinteza represorului inceteaza. Asa cum s-a mai aratat, factorii de mediu exercita un rol activant sau inhibant asupra sporogenezei, cat si asupra germinarii sporilor, procesul de germinare fiind influentat pozitiv de o temperatura apropiata de cea optima multiplicarii, de umiditate, de diferite substante prezente in mediu (glucoza, acizi aminati ca L-alanina, ioni de Na, K si Ca etc.).
in conditii de mediu identice nu toate tulpinile aceleiasi specii sporuleaza la fel de intens. Rapiditatea de sporulare variaza, de altfel, chiar de la o celula la alta. Pe de alta parte, proprietatea de a sporula poate fi pierduta, putandu-se obtine variante asporogene stabile genetic.
Proprietatea de a sporula este supusa apoi unor procese multiple de variabilitate fenotipica, sporogeneza fiind stimulata sau inhibata de numerosi factori exogeni. De exemplu, oxigenul molecular este un factor indispensabil sporularii bacteriilor aerobe; pentru bacteriile anaerobe este insa nociv, sporularea lor putand fi inhibata complet de prezenta acestuia in mediu. Temperatura influenteaza, de asemenea, sporularea. De exemplu, B. anthracis sporuleaza la temperaturi cuprinse intre 16°-42°C; in afara acestor limite sporularea inceteaza, desi multiplicarea germenilor mai poate continua.
Structura morfo-chimica
Sporii au o forma sferoidala, usor ovalara, dimensiunile variind cu specia intre 0,5-2 µm. Se pot forma in celula bacteriana in zona centrala, subterminala (spre un capat) si terminala (la capatul formei vegetative).
Dimensiunile si pozitia sporilor, raportate la forma vegetativa, desi variabile, sunt deosebit de caracteristice la unele specii bacteriene si au o valoare taxonomica, fiind de mare utilitate in lucrarile curente de identificare a genului si a speciilor.
sporii speciilor din genul Bacillus au diametrul mai mic decat grosimea bacililor, se formeaza in zona centrala sau subterminala si nu imprima deformarea formei vegetative
speciile din genul Clostridium, diametrul sporilor depaseste, de regula, grosimea formei vegetative, imprimand deformarea acesteia; cand sporii ocupa o pozitie centrala, bacteriile sporulate iau o forma naviculara, asemanatoare cu o suveica (bombate in zona centrala), iar cand sporii au o pozitie subterminala, bacilii iau forma bombata spre unul din capete, asemanatoare cu a unei sticle de lampa sau cu o para.
La Clostridium tetani sporii sunt, de regula sferoidali, se formeaza in pozitie terminala si raman atasati la forma vegetativa, dand bacililor un aspect caracteristic de "ciocanas de batut toba" sau de "racheta de tenis". Aspecte similare sunt intalnite la Cl. tetanomorfus, dar sporii sunt mult mai mari si au o forma pronuntata ovalara
Infrastructura este asemanatoare la toti sporii. Protoplastul sporal (celula sporala propriu-zisa) contine materia nucleara (sau nucleoplasma) formata din ADN cromozomal si o cantitate relativ redusa de sporoplasma cu aspect granular, mult mai densa si electroopaca decat citoplasma. Granulele au dimensiuni de cca 10 nm si reprezinta probabil ribosomii. Acest continut sporal este delimitat de o membrana sporala, care constituie totodata stratul intern al peretelui sporal pluristratificat.
Ansamblul acestor caracteristici structurale fac ca sporii sa aiba afinitati tinctoriale diferite de ale formelor vegetative. Ei pot fi colorati numai prin metode energetice, care forteaza patrunderea colorantilor prin perete si in continutul sporal.
Sporii se deosebesc fundamental de formele vegetative prin numeroase alte caracteristici fizico-chimice. Contin foarte putina apa libera, putine enzime si o cantitate mult mai mica de ribonucleoproteine: sunt mai saraci in saruri de K si P, dar mai bogati in ioni de Ca, Mg si Mn, si de 4-5 ori mai bogati in cisteina. De asemenea, contin o cantitate apreciabila de acid dipicolinic (existent numai in spor, in cantitate de cca 10% din greutatea uscata). Acesta se gaseste sub forma de sare de Ca, provine probabil din ac. diaminopimelic si are - se pare - rol in conferirea termostabilitatii enzimelor sporale, la care se leaga si le da o configuratie aparte.
Sporii nu desfasoara o activitate metabolica si nu au schimburi de substante cu mediul. Enzimele pe care le contin in cantitate redusa sunt sub o forma inactiva. In schimb, contin enzime catalitice fata de alanina in cantitate de 2-10 ori mai mari decat formele vegetative, acestea avand un rol important in procesele de germinare.
Rezistenta la factorii fizico-chimici
Sporii au rezistenta mare la numerosi agenti fizico-chimici. Se remarca in special rezistenta termica mare, sporii fiind distrusi la o caldura umeda de 120°C dupa 20-30 minute, iar la caldura uscata de 160-180°C dupa 30-60 minute. Sporii unor specii bacteriene pot rezista la fierbere pana la 1-2 ore, in timp ce formele vegetative mor obisnuit in 10 minute la 70-80°C.
Rezistenta sporilor este deosebit de mare la uscaciune si la radiatii. Ei se conserva si isi pot mentine viabilitatea in pamant si in diverse materiale patologice, timp foarte indelungat. De exemplu, sporii de B. anthracis pot ramane viabili in pamant timp de peste 70 de ani, iar sporii unor bacterii saprofite si-au pastrat viabilitatea in conserve alimentare timp de peste 114 ani. La fel se comporta si sporii de Cl. tetani
Sporii sunt, in comparatie cu formele vegetative, mult mai rezistenti la substantele antiseptice si la dezinfectante. De exemplu, sporii bacililor carbunosi se mentin viabili cativa ani in solutie cu adaos de 40-50% glicerina, in timp ce formele vegetative sunt distruse in cateva ore. Sporii unor bacterii raman vii pana la o saptamana in solutie de fenol 5% si mai multe saptamani in alcool.
conservabilitatea indelungata a viabilitatii germenilor sub o forma latenta, in conditii de mediu si de viata in care formele vegetative nu pot rezista, asigurand astfel supravietuirea germenilor in natura
Germinarea sporilor
Transformarea sporilor in forme vegetative este un proces complex, care se desfasoara in stransa corelatie cu factorii de mediu, in trei etape succesive: activarea, germinarea si cresterea formei vegetative noi.
Activarea si germinarea sunt fenomene stimulate de caracterul hidric al mediului si de prezenta unor componente chimice usor metabolizabile. Procesul consta intr-o reorganizare rapida a componentelor sporale. In prima faza se produce o absorbtie intensa si rapida de apa, insotita de cresterea in volum a sporului uneori de 100% si de pierderea refringentei. Concomitent, se petrec modificari structurale si biochimice, in cursul carora se produce activarea si imbogatirea echipamentului enzimatic cu rol energetic si plastic. Multe componente sunt degradate si restructurate in componente noi, unele substante specifice sporului fiind eliminate (acidul dipicolinic, anumite peptide, saruri de Ca etc.). Nucleul revine in pozitie centrala, iar in cortexul sporal se produc schimbari esentiale, finalizate la scurt timp prin ruperea peretelui sporal si prin aparitia unei emergente care creste rapid, dand nastere unei noi forme vegetative. Aceasta se desprinde, de regula, de membrana sporala, dar uneori invelisul sporal ramane atasat acesteia o anumita perioada.
Viteza de germinare difera in limite largi, in functie de specie si de vechimea sporilor. De exemplu, sporii de B. anthracis recent formati, ajunsi in conditii favorabile, germineaza de regula in 60-90 secunde, in timp ce germinarea sporilor vechi incepe abia dupa 1-2 ore sau chiar mai mult.
FIZIOLOGIA BACTERIANA
Bacteriile sunt vietuitoare cu o mare plasticitate si o larga raspandire in natura. Pe parcursul evolutiei lor s-au adaptat la conditii de mediu si viata mult mai variate decat lumea vegetala. Ca urmare, si sub aspect metabolic lumea bacteriana este mai putin omogena, fiind deosebit de diversificata mai ales in privinta capacitatii de a utiliza componentele existente in mediu ca surse nutritive. S-au conturat astfel numeroase grupe specializate de bacterii, cu caracteristici ecologice si metabolice foarte variate, care le permit sa indeplineasca in natura un rol esential in circulatia complexa a materiei, in sensuri multiple.
In acelasi timp, cunoasterea caracteristicilor metabolice are o deosebita importanta practica: in cultivarea bacteriilor pe medii artificiale, in lucrarile de diagnostic, in selectarea de tipuri cu proprietati fermentative utile in diferite ramuri industriale etc.
STRUCTURA CHIMICA A BACTERIILOR
Celula bacteriana, desi de dimensiuni foarte mici, are o structura chimica deosebit de complexa. De exemplu, o celula de E. coli (de cca 500x mai mica decat o celula vegetala sau animala) contine intre 3000-6000 tipuri de componente moleculare si macromoleculare. Aproape jumatate sunt componente anorganice cu molecula mica (H2O, saruri minerale); restul sunt componente organice moleculare si macromoleculare; glucide complexe si precursori (cca 200 tipuri), lipide (cca 50 tipuri), proteine (106 molecule care apartin la cca 2000-3000 tipuri) etc.
Se poate aprecia ca, desi in structura celulei bacteriene se gasesc toate componentele caracteristice materiei vii, bacteriile isi au totusi individualitatea lor chimica, deosebindu-se de alte vietuitoare mai ales prin unele componente chimice macromoleculare care sunt proprii lor.
Structura chimica elementara
In structura celulei bacteriene intra toate cele 11 elemente biogene caracteristice materiei vii: C, H, O, N, P, Ca, Na, Cl, S, Mg, K. Cantitativ acestea reprezinta 99,9% din totalul elementelor. Restul de 0,1% sunt oligoelemente: Cu, Co, I, Br, Bor etc. Cele mai multe intra in structura unor enzime si factori de crestere.
In comparatie cu alte vietuitoare, bacteriile sunt in general mai bogate in C si N (in concordanta cu bogatia lor in proteine), dar sunt mai sarace in O si Ca. De asemenea, contin cantitati ceva mai mari de P, Na si Mg. Continutul in elemente chimice variaza insa, in anumite limite, de la o specie la alta, iar la aceeasi specie in functie de mediul de cultivare, de starea fiziologica si de varsta celulelor bacteriene etc.
Structura chimica moleculara si macromoleculara
In structura celulei bacteriene intra componente chimice foarte variate, sub forma de apa, saruri minerale, glucide, lipide, proteine si acizi nucleici (ADN si ARN). Multe componente se leaga intre ele formand complexe macromoleculare caracteristice, fie cu rol structural (mureina, lps etc.), fie cu rol functional (enzime, exotoxine etc.).
Apa Este componentul predominant cantitativ. Reprezinta aproximativ 75-85% din greutatea umeda a celulei bacteriene. O parte se gaseste sub forma de apa de constitutie, incoporata in structura diverselor componente chimice celulare. Cea mai mare parte se gaseste insa ca apa libera, conferind mediului endocelular un pronuntat caracter hidric.
In apa libera se gasesc solvate cantitati apreciabile de saruri minerale. De asemenea, se gasesc solvate sau in dispersie coloidala numeroase componente metabolizabile sau rezultate din activitatea metabolica. De caracterul hidric endocelular depinde desfasurarea in bune conditiuni a intregului metabolism (realizarea schimburilor active si continui dintre celula si mediu, difuziunea enzimelor in mediul andocelular si spre exterior, eliminarea metabolitilor, patrunderea si difuziunea componentelor utile in metabolismul plastic si energetic etc.). Totodata, apa libera parti-cipa ca substrat in majoritatea reactiilor biochimice (hidroliza, oxidoreducere etc.). De altfel, diminuarea continutului in apa determina o incetinire a ritmului de desfasurare a proceselor metabolice.
Apa intervine in reglarea echilibrului osmotic endocelular, a pH-ului si a potentialului oxidoreducator.
Continutul in apa libera influenteaza apoi rezistenta celulei la unii factori chimici si fizici, diminuarea ei crescand rezistenta bacteriei la uscaciune, temperatura si la unele substante chimice.
Sarurile minerale. Continutul in saruri minerale este cuprins intre 2-30% din greutatea uscata a celulei bacteriene. Cantitatea acestora variaza in raport cu specia, cu starea fiziologica a celulei, cu compozitia chimica a mediului etc. De regula, celulele tinere contin saruri minerale in cantitati de 6-7 ori mai mari decat celulele batrane.
Dintre componentele minerale cele mai bine reprezentate cantitativ sunt: P, K, Na, Mg, Ca, S, Cl. In cantitati mai mici se gasesc Zn, Fe, Cu, Mn etc. Predomina compusii de P, care reprezinta in medie 45% din totalul componentelor minerale (la M. tuberculosis pot ajunge pana la 74%).
Unii compusi minerali intra in structura componentelor macromoleculare cu rol plastic; altii intra in structura enzimelor si coenzimelor sau indeplinesc rol de activatori in diverse procese metabolice (Ca, Na, Zn). Constituentii minerali intervin apoi in numeroase alte procese: asigura reglarea presiunii osmotice endocelulare si mentinerea echilibrului de membrana, influentand permeabilitatea acesteia; contribuie la reglarea pH-ului si a potentialului oxido-reducator etc.
Compusii de P au rol esential in metabolismul energetic al celulei bacteriene. In legaturile fosforice macroergice ale acestora se pot stoca cantitati mari de energie, pe care celula o poate elibera in raport cu cerintele sale.
Bacteriile sunt vietuitoare care au necesitati minerale mari si multiple. Cunoasterea acestor cerinte are o deosebita importanta in practica cultivarii germenilor pe medii artificiale, iar in multe cazuri chiar la izolarea si identificarea unor specii.
Glucidele. Bacteriile contin o cantitate mare si variata de glucide (ozide si poliozide), acestea reprezentand intre 4-25% din greutatea uscata a celulei. Continutul lor variaza insa cu specia si starea fiziologica.
Glucidele au rol biologic complex, o mare cantitate fiind utilizata de celula bacteriana ca surse de carbon si energie. Numeroase glucide formeaza complexe macromoleculare caracteristice care intra in structura celulei bacteriene, in special in structura peretelui bacterian si a capsulei. O parte din glucide pot fi polimerizate si depozitate in citoplasma unor bacterii ca materii de rezerva, sub forma de granule de amidon si glicogen.
Ozidele se gasesc fie libere in curs de metabolizare, fie legate de componente de alta natura. Cele mai frecvente sunt: glucoza (sau derivati ca: glucozamina, acidul glucuronic), galactoza, manoza, arabinoza etc. Dintre pentoze, riboza si dezoxiriboza intra in structura acizilor nucleici.
In celula bacteriana pot fi gasiti frecvent polimeri complecsi formati din ozide conjugate cu acizi uronici: acidul hialuronic care intra in structura capsulei la streptococi, polizaharidele capsulare la pneumococi etc. Unele glucide se leaga cu anumite polipeptide formand polimeri complecsi cu rol structural, cum este, de exemplu, mureina din structura pe-retelui bacterian. Alte glucide formeaza cu diverse lipide complexele lipopolizaharidice (lps) prezente in peretele celular la bacteriile Gram-negative, constituind antigenii "O" si endotoxinele acestora.
Multe polizaharide extrase din celula bacteriana au caracter de antigeni incompleti sau haptene (pot intra in reactie cu anticorpii, dar nu pot induce sinteza lor). In celula acestea se gasesc insa legate de alte componente, de regula proteice, cu care formeaza antigeni completi (proteinele confera complexului suportul material al antigenitatii, iar glucidele au rolul de grupari active purtatoare ale specificitatii antigenice).
Lipidele. Difera cantitativ in limite largi de la o specie la alta, ele reprezentand intre 2-40% din greutatea uscata a celulei. Bacteriile cele mai sarace in lipide par sa fie stafilococii (2,8%), iar cele mai bogate in lipide bacteriile din genul Mycobacterium.
Continutul in lipide variaza la aceeasi specie in functie de varsta celulelor si de compozitia chimica a mediului. La unele specii bacteriene lipidele se pot acumula in celula si ca materie de rezerva, mai ales cand germenii sunt cultivati in conditii restrictive (pe medii bogate in C si in surse energetice, dar sarace in N) sau pe medii cu o anumita compozitie chimica.
Lipidele bacteriene sunt in general foarte variate, o parte gasindu-se sub forma de compusi esterificati cu alcooli. Multe lipide reprezinta pentru celula bacteriana o importanta sursa de C si energie. Unele indeplinesc rol structural, cum sunt cele din peretele bacteriilor Gram-negative si din peretele bacteriilor acido-rezistente. Fosfolipidele intra in structura membranei citoplasmatice.
In general, lipidele bacteriene pot fi grupate in trei categorii:
a) lipide neutre, unele acumulandu-se in celula ca materie de rezerva, sub forma de polimeri ai acidului betahidroxibutiric;
b) ceride, formate prin esterificarea acizilor grasi (cu greutate moleculara mare) cu alcooli. Sunt continute mai ales de bacteriile acido-rezistente in proportii de 5-10% din greutatea lor uscata. Lipsesc sau se gasesc in cantitati reduse la bacteriile neacido-rezistente;
c) fosfolipidele, bine reprezentate cantitativ la toate bacteriile (contin acizi grasi, alcooli, baze azotate si acid fosforic). De exemplu, la enterobacterii fosfolipidele reprezinta pana la 50% din totalul lipidelor; lipidele din complexele lps sunt, de asemenea, fosfolipide in proportie de 80-95%.
Proteinele. Bacteriile sunt foarte bogate in proteine, acestea reprezentand in medie 60% din greutatea lor uscata. Se apreciaza ca intr-o celula exista cca 106 molecule proteice, apartinand la 2000-3000 tipuri. Variatiile cantitative si calitative sunt in general restranse, dependente mai ales de starea fiziologica a celulelor bacteriene.
O mare parte a componentelor proteice intra in structurile celulare, altele se gasesc in stare de dispersie coloidala in mediul citoplasmatic, fie sub forma unor componente in curs de metabolizare, fie ca proteine cu rol functional (enzime, exotoxine). Intrucat sintetizarea proteinelor este controlata genetic si decurge conform informatiei inscrise in ADN-ul fiecarei specii bacteriene, se poate afirma ca personalitatea chimica si imunologica a bacteriilor este conferita in special de componentele proteice.
Apa
Este componentul predominant cantitativ.
Reprezinta aproximativ 75-85% din greutatea umeda a celulei bacteriene.
O parte se gaseste sub forma de apa de constitutie, incoporata in structura diverselor componente chimice celulare.
Cea mai mare parte se gaseste insa ca apa libera, conferind mediului endocelular un pronuntat caracter hidric.
In apa libera se gasesc solvate
- cantitati apreciabile de saruri minerale
- componente metabolizabile sau rezultate din activitatea metabolica.
De caracterul hidric endocelular depinde desfasurarea in bune conditiuni a intregului metabolism
- realizarea schimburilor active si continui dintre celula si mediu,
- difuziunea enzimelor in mediul endocelular si spre exterior,
- eliminarea metabolitilor,
- patrunderea si difuziunea componentelor utile in metabolismul plastic si energetic etc.)
Totodata, apa libera participa ca substrat in majoritatea reactiilor biochimice (hidroliza, oxidoreducere etc.).
Diminuarea continutului in apa determina o incetinire a ritmului de desfasurare a proceselor metabolice.
Apa intervine in reglarea echilibrului osmotic endocelular, a pH-ului si a potentialului oxidoreducator.
Continutul in apa libera influenteaza apoi rezistenta celulei la unii factori chimici si fizici, diminuarea ei crescand rezistenta bacteriei la uscaciune, temperatura si la unele substante chimice.
Sarurile minerale
Continutul in saruri minerale este cuprins intre 2-30% din greutatea uscata a celulei bacteriene.
Cantitatea acestora variaza in raport cu specia, cu starea fiziologica a celulei, cu compozitia chimica a mediului etc.
De regula, celulele tinere contin saruri minerale in cantitati de 6-7 ori mai mari decat celulele batrane.
Dintre componentele minerale cele mai bine reprezentate cantitativ sunt: P, K, Na, Mg, Ca, S, Cl. In cantitati mai mici se gasesc Zn, Fe, Cu, Mn etc.
Predomina compusii de P, care reprezinta in medie 45% din totalul componentelor minerale (la M. tuberculosis pot ajunge pana la 74%).
Unii compusi minerali intra in structura componentelor macromoleculare cu rol plastic;
altii intra in structura enzimelor si coenzimelor sau indeplinesc rol de activatori in diverse procese metabolice (Ca, Na, Zn).
Constituentii minerali intervin apoi in numeroase alte procese: asigura reglarea presiunii osmotice endocelulare si mentinerea echilibrului de membrana, influentand permeabilitatea acesteia; contribuie la reglarea pH-ului si a potentialului oxido-reducator etc.
Compusii de P au rol esential in metabolismul energetic al celulei bacteriene. In legaturile fosforice macroergice ale acestora se pot stoca cantitati mari de energie, pe care celula o poate elibera in raport cu cerintele sale.
Bacteriile sunt vietuitoare care au necesitati minerale mari si multiple.
Cunoasterea acestor cerinte are o deosebita importanta in practica cultivarii germenilor pe medii artificiale, iar in multe cazuri chiar la izolarea si identificarea unor specii.
Glucidele
cantitate mare si variata de glucide (ozide si poliozide), acestea reprezentand intre 4-25% din greutatea uscata a celulei.
Continutul lor variaza insa cu specia si starea fiziologica
Glucidele au rol biologic complex, o mare cantitate fiind utilizata de celula bacteriana ca surse de carbon si energie.
Numeroase glucide formeaza complexe macromoleculare caracteristice care intra in structura celulei bacteriene, in special in structura peretelui bacterian si a capsulei
O parte din glucide pot fi polimerizate si depozitate in citoplasma unor bacterii ca materii de rezerva, sub forma de granule de amidon si glicogen.
Ozidele se gasesc fie libere in curs de metabolizare, fie legate de componente de alta natura.
Cele mai frecvente sunt: glucoza (sau derivati ca: glucozamina, acidul glucuronic), galactoza, manoza, arabinoza etc.
Dintre pentoze, riboza si dezoxiriboza intra in structura acizilor nucleici.
In celula bacteriana pot fi gasiti frecvent polimeri complecsi formati din ozide conjugate cu acizi uronici: acidul hialuronic care intra in structura capsulei la streptococi, polizaharidele capsulare la pneumococi etc.
Unele glucide se leaga cu anumite polipeptide formand polimeri complecsi cu rol structural, cum este, de exemplu, mureina din structura peretelui bacterian.
Alte glucide formeaza cu diverse lipide complexele lipopolizaharidice (lps) prezente in peretele celular la bacteriile Gram-negative, constituind antigenii "O" si endotoxinele acestora.
Multe polizaharide extrase din celula bacteriana au caracter de antigeni incompleti sau haptene (pot intra in reactie cu anticorpii, dar nu pot induce sinteza lor).
In celula acestea se gasesc insa legate de alte componente, de regula proteice, cu care formeaza antigeni complecsi, glucidele avand rolul de grupari active purtatoare ale specificitatii antigenice).
Lipidele
Difera cantitativ in limite largi de la o specie la alta, ele reprezentand intre 2-40% din greutatea uscata a celulei.
Bacteriile cele mai sarace in lipide par sa fie stafilococii (2,8%), iar cele mai bogate in lipide bacteriile din genul Mycobacterium.
Continutul in lipide variaza la aceeasi specie in functie de varsta celulelor si de compozitia chimica a mediului.
La unele specii bacteriene lipidele se pot acumula in celula si ca materie de rezerva, mai ales cand germenii sunt cultivati in conditii restrictive (pe medii bogate in C si in surse energetice, dar sarace in N) sau pe medii cu o anumita compozitie chimica.
Lipidele bacteriene sunt in general foarte variate, o parte gasindu-se sub forma de compusi esterificati cu alcooli.
Multe lipide reprezinta pentru celula bacteriana o importanta sursa de C si energie.
Unele indeplinesc rol structural, cum sunt cele din peretele bacteriilor Gram-negative si din peretele bacteriilor acido-rezistente
Fosfo-lipidele intra in structura membranei citoplasmatice.
In general, lipidele bacteriene pot fi grupate in trei categorii:
a) lipide neutre, unele acumulandu-se in celula ca materie de rezerva, sub forma de polimeri ai acidului betahidroxibutiric;
b) ceride, formate prin esterificarea acizilor grasi cu alcooli. Sunt continute mai ales de bacteriile acido-rezistente in proportii de 5-10% din greutatea lor uscata. Lipsesc sau se gasesc in cantitati reduse la bacteriile neacido-rezistente;
c) fosfolipidele, bine reprezentate cantitativ la toate bacteriile (contin acizi grasi, alcooli, baze azotate si acid fosforic).
De exemplu, la enterobacterii fosfolipidele reprezinta pana la 50% din totalul lipidelor; lipidele din complexele lps sunt, de asemenea, fosfolipide in proportie de 80-95%.
Proteinele
Bacteriile sunt foarte bogate in proteine, acestea reprezentand in medie 60% din greutatea lor uscata.
Se apreciaza ca intr-o celula exista cca 106 molecule proteice, apartinand la 2000-3000 tipuri.
Variatiile cantitative si calitative sunt in general restranse, dependente mai ales de starea fiziologica a celulelor bacteriene.
O mare parte a componentelor proteice intra
- in structurile celulare,
- in stare de dispersie coloidala in mediul citoplasmatic,
- fie sub forma unor componente in
curs de metabolizare,
- fie ca proteine cu rol functional
(enzime, exotoxine).
se poate afirma ca personalitatea chimica si imunologica a bacteriilor este data in special de componentele proteice.
sinteza proteinelor este controlata genetic si decurge conform informatiei inscrise in ADN-ul fiecarei specii bacteriene,
ACIZII NUCLEICI
ACIDUL DEZOXIRIBONUCLEIC (ADN)
Se gaseste in celula bacteriana in cantitate relativ constanta la fiecare specie, cuprinsa intre 1-5% din greutatea uscata.
Cea mai mare parte formeaza o macromolecula giganta, care reprezinta nucleotidul, respectiv cromozomul unic al bacteriei (cu o greutate moleculara de 2,5x109).
In citoplasma se mai pot gasi macromolecule de ADN nesemnificative cantitativ, acestea formand plasmidele, respectiv factorii genetici extracromozomali.
In structura acestui component macromolecular intra 4 tipuri de nucleotide care se deosebesc prin baza aminata pe care o contin.
baza aminata purinica (adenina, guanina)
baza pirimidinica (citozina, timina)
Intre bazele aminate existand totdeauna anumite raporturi de echivalenta molara, adenina = timina si guanina
= citozina
(sau A/T si G/C = 1, A+G=C+T si A+G=C+T
S-a conceput modelul de structura al macromoleculei de ADN
Conform acestui model structura si configuratia ADN-ului se incadreaza in parametri foarte bine precizati.
Cele doua catene nucleotidice sunt dispuse in paralel si in spirala in jurul unui ax director, ele formand spire complete la intervale regulate.
Nucleotidele au moleculele fosforice orientate spre exteriorul catenelor situate de axul director.
Bazele aminate sunt orientate spre interior si ca urmare ele se gasesc dispuse fata in fata cu bazele din catena congenera, intre ele stabilindu-se legaturi prin punti de H.
Se formeaza astfel secvente de baze aminate suprapuse una peste alta.
Datorita acestei structuri, macromolecula de ADN se aseamana cu o scara in spirala, ale carei trepte sunt formate din secvente de baze purinice si pirimidinice, fiecare spira a helixului continand o succesiune de 10 asemenea secvente.
Nucleotidele care alcatuiesc catenele se leaga intre ele prin legaturi fosfodiesterice, stabilite intre gruparile C3' si C5' ale pentozelor invecinate, sensul de formare a catenei fiind totdeauna C3'-C5'.
Ca urmare, la capatul moleculei de ADN, o catena are pozitia libera C3' iar cealalta catena pozitia C5'.
Aceasta inseamna ca sensul de polimerizare a catenelor este contrar si, ca urmare, cele doua catene de ADN sunt, de fapt, antiparalele, ceea ce are o mare importanta in realizarea procesului de replicare (automultiplicare).
Macromoleculele de ADN sunt caracterizate printr-o stabilitate remarcabila, conferita
pe verticala de legaturile fosfodiesterice dintre pentoze, care formeaza o veritabila coloana vertebrala (backbone),
- pe orizontala prin legaturile de hidrogen dintre bazele situate fata in fata
La consolidarea macromoleculei contribuie insa si fortele electronice dintre orbitalele bazelor aminate, generate prin procesul de stivuire a acestora (stacking).
Intre A-T se stabilesc legaturi prin doua punti de hidrogen, iar intre G-C prin trei punti de hidrogen
De aceea, cu cat ADN-ul este mai bogat in secvente G-C, cu atat stabilitatea sa creste. Pe de alta parte, zonele mai bogate in secvente G-C au o rigiditate mai mare
Caracteristica structurala esentiala a ADN-ului consta insa in legitatea complementaritatii intre bazele aminate purinice si pirimidinice, in sensul ca A - se leaga totdeauna cu T, iar G numai cu C.
De aceea in oricare molecula de ADN dublu catenar secventele sunt constituite numai din patru aranjamente: A-T; T-A; G-C; C-G
AND
cromozom - in care se gasesc cuprinse totalitatea genelor esentiale cresterii si multiplicarii celulei in conditii normale.
formatiuni genetice extracromozomale, denumite plasmide
CROMOZOMUL
este alcatuit dintr-o singura macromolecula de ADN, de forma unui filament helicoidal dublu catenar. Capetele filamentului sunt legate intre ele, conferind astfel cromozomului bacterian o configuratie circulara.
Lungimea filamentului de ADN cromozomal este de cca 500 ori mai mare decat a bacteriei. El se gaseste in celula pliat si superspiralat in jurul propriului ax, de o maniera ordonata, constituind astfel o masa de materie cromatica densa si compacta, care reprezinta nucleoidul celulei bacteriene
Marimea macromoleculei de ADN cromozomal variaza in raport cu specia si cantitatea de informatie genetica pe care o detine.
PLASMIDELE
sunt factori genetici extracromozomali
cantitativ reprezinta pana la 1% din masa genomului bacterian.
se gasesc in citoplasma ca elemente genetice autonome.
unele plasmide au insa proprietatea de a se putea integra tranzitoriu in cromozom, replicandu-se si functionand solidar cu acesta.
Cele mai amplu studiate sunt:
factorul "F",
factorul "R",
factorul "col",
factorul "ent"
plasmidele sunt asemanatoare unor "microcro-cromozomi", fiind formate din molecule de ADN bicatenar cu configuratie circulara
poseda propriul lor sistem de replicare - autoreplicarea decurge independent, fara nici o corelatie cu a cromozomului si cu diviziunea celulara.
Datorita acestui fapt plasmidele se gasesc in celula intr-un anumit numar de copii (de la 1 la cateva sute),
pasajul plasmidelor de la o celula donatoare la alta receptoare se poate realiza prin diverse modalitati, dar de cele mai multe ori prin conjugare.
sunt caracterizate printr-o specificitate relativa de gazda, in sensul ca fiecare tip de plasmida se poate instala si mentine numai in gazda ei naturala sau cel mult in celulele unor specii strans inrudite filogenetic
face insa exceptie plasmida "R" are un spectru larg care ii permite sa se instaleze in celulele unor specii bacteriene foarte variate.
pot fi grupate in diferite categorii, in functie de anumite caracteristici care se iau in considerare
In raport de capacitatea de integrare in cromozom, doua categorii:
plasmide integrabile (sau epizomi) care se pot gasi fie in stare autonoma in citoplasma (faza plasmidica), fie in stare integrata in cromozom (faza epizomala)
plasmide neintegrabile care se gasesc totdeauna ca elemente genetice autonome in citoplasma.
In raport cu capacitatea de a induce procese de conjugare si cu proprietatea de a se autotransfera pe aceasta cale, doua categorii:
plasmide conjugative (conjugoni)
plasmide neconjugative
Tipuri de plasmide
Plasmidele "F" (sau de "fertilitate"). Formeaza o categorie de plasmide conjugative relativ mari -12 gene
celulele purtatoare de plasmida "F" sunt considerate arbitrar "mascule" (F+), ele avand proprietatea de a se putea conjuga cu celulele F- lipsite de plasmida si considerate arbitrar "femele"
Plasmidele "col" specifice la E. Coli - sinteza de colicine, iar la alte bacterii sinteza de bactericine
Plasmidele "R" (de rezistenta) - confera caracterele de rezistenta extracromozomala la chimioterapice si antibiotice
Numarul genelor "R" variaza de la o plasmida "R" la alta, putand conferi rezistenta de la una pana la toate chimioterapicele si antibioticele de interes medical. De cele mai multe ori numarul acestor gene este insa cuprins intre 1-6
Genele "R" specifica sinteza unor enzime capabile sa distruga antibioticele sau chimioterapicele
Alte tipuri de plasmide:
Plasmida "Ent", codifica sinteza enterotoxinei la E. coli enteropatogeni;
Plasmida "Hly", codifica sinteza de hemolizine la E. coli;
Plasmidele "K88" si "K99" codifica sinteza antigenilor respectivi continuti in pilii colibacililor enteropatogeni, prin care acestia pot adera, colonizand" suprafata vilozitatilor intestinale;
Plasmida "Vir", responsabila de virulenta unor colibacili care produc infectii septicemice;
Plasmidele Hg, Cd, As, Ca etc., care confera rezistenta la metalele respective;
Plasmida "UV", care confera o rezistenta crescuta la radiatiile UV;
Plasmidele care codifica enzimele pentru fermentarea lactozei, a zaharozei, productia de H2S s.a..
ARN-UL BACTERIAN
este un polimer ribonucleotidic format din patru tipuri de nucleotide, care contin A, G, C sau U (uracil). Polimerizarea nucleotidelor se realizeaza similar ca la ADN, prin legaturi fosfodiesterice stabilite intre ribozele invecinate, la nivelul gruparilor C3'- C5'
Majoritatea tipurilor de ARN au o structura monocatenara si o configuratie spatiala lineara
Bacteriile contin, la fel ca toate celulele, trei tipuri de ARN implicate in mecanismele de biosinteza a proteinelor: ARNm, ARNt si ARNr.
ARNm (sau mesager) are rolul de a transmite informatia genetica de biosinteza a proteinelor de la cromozom la ribosom si de a specifica ordinea de incorporare a acizilor aminati in lantul polipeptidic.
Reprezinta cantitativ cca 1-2% din totalul ARN-ului celular
ARNt (sau de transport) are rolul de a lega si transporta acizii aminati din citoplasma la ribosomi. Aici se leaga (prin punti de H) la ARNm, la codonul care specifica incorporarea acidului aminat.
Dupa ce acidul aminat a fost incorporat in lantul polipeptidic ARNt se desprinde de ARNm si isi reia functia
ARNr (ribosomal) leaga ribosomii in formatiuni poliribosomale, constituind scheletul structural al acestor formatiuni. Rolul pe care il are in procesele de biosinteza a proteinelor este inca mai putin cunoscut.
Tipuri de nutritie
In raport cu sursele de C si N si cu tipul de nutritie, bacteriile se impart in doua categorii:
bacterii autotrofe
bacterii heterotrofe
Bacteriile autotrofe sunt larg raspandite in sol si ape si sunt in totalitate saprofite
acestea se apropie mult de regnul vegetal, fiind caracterizate prin faptul ca utilizeaza ca surse de N si C numai componente anorganice
Ca surse de carbon utilizeaza CO2 si carbonatii, iar ca surse de N utilizeaza NH3, nitratii si nitritii
isi sintetizeaza materia organica proprie si isi procura - total sau partial - energia necesara
bacteriile autotrofe indeplinesc in natura un rol important in circulatia C, N, S
Unele au o contributie majora la imbogatirea solului in compusi azotati.
bacteriile din genul Nitrosomonas oxideaza NH3 in nitrati
cele din genul Nitrobacter transforma nitritii in nitrati
Energia obtinuta in cursul acestor procese chimice este utilizata la reducerea CO2, care le serveste ca sursa de C
Bacteriile heterotrofe
sunt cele mai numeroase si cele mai larg raspandite in natura
Ca tip de nutritie pot fi considerate cele mai omnivore vietuitoare
Pentru asigurarea surselor de C, acestora le sunt indispensabile componentele de natura organica, dar multe heterotrofe utilizeaza concomitent si CO2.
Principalele surse de C sunt glucidele (mono, di, tri si polizaharidele), polialcoolii, precum si diferitii acizi organici, cetone, lipide, acizi grasi etc.
Ca surse de N sunt utilizate componente azotate foarte variate, anorganice si organice
De exemplu, unele bacterii heterotrofe pot fixa si metaboliza N molecular atmosferic; altele metabolizeaza NH3, nitritii, nitratii precum si compusii organici azotati
intre heterotrofe, in raport cu particularitatile metabolice,se individualizeaza:
bacteriile prototrofe
bacteriile auxotrofe
Bacteriile prototrofe
isi asigura sursele de C prin metabolizarea carbohidratilor, iar sursele de N pe seama exclusiv a unor componente anorganice, in special prin metabolizarea N molecular atmosferic.
bacteriile din genul Azobacter, care traiesc libere in sol si ape
bacteriile din genul Rhisobium care traiesc in sol de regula in simbioza cu plantele leguminoase, gasindu-se din abundenta in special in nodozitatile formate pe radacinile acestora.
isi asigura cerintele in N exclusiv prin fixarea de N molecular atmosferic - formeaza compusi azotati care imbogatesc solul si servesc plantelor ca surse nutritive.
plantele asigura bacteriilor carbohidratii necesari ca surse de C
Bacteriile auxotrofe
Multiplicarea acestora este dependenta de prezenta in mediu a unuia sau a mai multor acizi aminati, pe care bacteriile respective
nu-i pot sintetiza
monoauxotrofe - dependente de un anumit acid aminat
diauxotrofe,
triauxotrofe,
poliauxotrofe
dependente de doi, trei, respectiv mai multi acizi aminati
Salmonella typhi necesita prezenta in mediu a triptofanului
Leuconostoc mesenteroides - prezenta in mediu a 17 acizi aminati
Cresterea si multiplicarea unor bacterii heterotrofe depinde si de prezenta in mediu a unor componente cu rol de factori de crestere, care actioneaza ca biocatalizatori
tiamina (vit. B1),
riboflavina (vit. B2),
piridoxina (vit. B6),
biotina (vit. H),
nicotinamida (vit. PP),
hemina (factorul X),
fosfopiridin-nucleotida (factor V).
La limita extrema a heterotrofiei se gasesc bacteriile parazite endocelular, care necesita substante organice complexe existente numai in celulele vii pe care le paraziteaza.
Patrunderea substantelor nutritive in celula
Patrunderea substantelor nutritive prin membrana citoplasmatica este, in general, un proces mult mai complex si foarte selectiv, care se poate realiza prin trei mecanisme:
Mecanisme nespecifice
Mecanisme de difuziune
Mecanismede selective - prin procese de transport selectiv
Mecanisme nespecifice
sunt caracteristice substantelor nutritive solubile in lipide sau cu molecule in lant ce pot traversa membrana citoplasmatica strecurandu-se prin porii retelei lipoproteice;
Mecanisme de difuziune
se realizeaza atunci cand substanta nutritiva se gaseste in concentratii mai mari in mediu decat in celula
METABOLISMUL GLUCIDIC
glucidele reprezinta surse energetice si plastice deosebit de valoroase
caile de descompunere (catabolizare) si de sinteza (anabolismul glucidelor) sunt deosebit de complexe si uneori diferite de la o specie la alta,
ac. piruvic rezultat din catabolizarea glucidelor permite realizarea unor interferari intre metabolismul energetic si plastic, in sensuri multiple
in functie de calea de metabolizare (oxibiotica, anoxibiotica, fermentativa), se poate ajunge
- fie la o oxidare completa a substratului, cu formarea de metaboliti finali (CO2, H2O),
- fie la o oxidare incompleta, cu formarea de metaboliti intermediari care pot servi apoi ca surse pentru sinteza unor componente proteice si lipidice proprii celulei bacteriene
Catabolizarea glucidelor
Componentele macromoleculare glucidice sunt dezintegrate de enzimele bacteriene in componentele lor constitutive, prin procese de fosforoliza la nivelul legaturilor glicozidice, cu eliberarea de energie
Rezulta derivati glucidici fosfatati, cu structura din ce in ce mai simpla, pana se atinge stadiul de ozide fosfatice, de regula gluco-zofosfat.
La cele mai multe microorganisme, catabolizarea glucozei urmeaza in continuare calea care duce la formarea de ac. piruvic
Bacteriile pot utiliza insa alternativ si alte cai
Astfel, aproape toate bacteriile pot cataboliza glucoza pe calea pentozofosfatilor obtinandu-se in final acid piruvic.
De aici, catabolizarea poate continua diferit de la o specie bacteriana la alta, pe cai
oxibiotice,
anoxibiotice
fermentative
Catabolizarea oxibiotica a ac. piruvic
oxidoreduceri
La bacteriile aerobe metabolizarea acidului piruvic pe cale oxibiotica este impusa de prezenta in mediu a O2 (care inhiba metabolizarea pe cai fermentative)
participa CoA
se produce o condensare intre ac. acetic si ac. oxalo-acetic rezultand acid citric (compus cu 6 atomi C).
Acesta este metabolizat in continuare pe calea ciclului Krebs (acizilor tricarboxilici)
cele 10 enzime care catalizeaza reactiile in ciclul Krebs sunt considerate ca enzime respiratorii
produsii intermediari din acest ciclu pot servi mai ales ca precursori ai unor acizi aminati (lizina, serina, izoleucina, metionina, alanina, valina, leucina etc.), precum si ca surse in sinteza lipidelor
Oxidarea piruvatului si a acetatului poate urma la bacterii calea ciclul glioxilic (Pseudomonas, Escherichia)
Acestea utilizeaza frecvent ca surse de C, acetatul, etanolul etc., ceea ce impune catabolizarea ac. piruvic prin produse care intereseaza ciclul ac. glioxilic.
Ciclul glioxilic permite nu numai obtinerea de energie, ci si conversia lipidelor in glucoza
Catabolizarea anoxibiotica
Reprezinta o alta modalitate de catabolizare a piruvatului prin decarboxilarea neoxidativa cu formarea de acetaldehida
poate fi metabolizata, de catre bacteriile din genul Acetobacter pe calea fermentatiei acetice;
tot de la acetaldehida, in conditii de anaerobioza, metabolizarea poate decurge in sensul fermentatiei alcoolice, proces specific unor levuri din genul Saccharomyces, precum si unor bacterii.
Catabolizarea anoxibiotica a ac. piruvic are obisnuit un caracter fermentativ, cu formarea in final a unor ac. grasi, in functie de specie si de calea de metabolizare.
Procesul fermentativ poate avea un caracter de:
- fermentatie lactica (caracteristica speciilor din genul Lactobacillus si unor coci Gram-pozitivi);
- fermentatie acetica (caracteristica bacteriilor acetice strict anaerobe);
- fermentatie citrica (caracteristica bacteriilor citrice si Enterobacteriaceaelor);
- fermentatie propionica (caracteristica unor bacterii ruminale Gram-pozitive si lactobacililor);
- fermentatie butilica sau butirica (caracteristica unor specii din genul Clostridium) etc.
Sinteza glucidelor
Procesele anabolice urmeaza de regula in sens invers caile de catabolizare a glucidelor.
polimerizarea glucidelor in celula bacteriana se realizeaza obisnuit prin procese de fosforilare a ozidelor, cu participarea ATP, ceea ce permite acumularea in structura moleculelor glucidice a unor cantitati insemnate de energie
polimerizarea glucozei in amidon sau glicogen este precedata de fosforilarea sa, prin participarea ATP (o grupare hidroxilica fiind inlocuita cu o grupare fosforica), obtinandu-se in prima etapa glucozofosfatul; apoi, prin polimerizarea acestuia se obtine energie si ATP.
METABOLISMUL PROTEIC
Proteinele si acizii aminati sunt pentru bacterii surse plastice si energetice deosebit de valoroase.
Pentru patrunderea in celula, proteinele sunt in prealabil hidrolizate prin enzimele proteolitice (proteaze), care le scindeaza in peptide;
acestea, prin peptidaze, sunt apoi degradate la acizi aminati.
transportul acestora la nivelul membranei citoplasmatice este mediat de translocaze si permeaze
bacteriile Gram-negative, continua catabolizarea celor mai multi acizi aminati - pot sintetiza singure, in raport cu cerintele celulei
unele bacterii Gram-negative utilizeaza si acumuleaza in celula anumiti acizi aminati, prezenti in mediu sau rezultati din catabolizarea proteinelor
bacteriile Gram-pozitive au de regula posibilitati mai restranse de a sintetiza acizi aminati si, de aceea, ele utilizeaza in masura mult mai mare acizii aminati din mediu
Catabolizarea acizilor aminati
Procesele de catabolizare a acizilor aminati sunt realizate de catre bacterii prin
- dezaminare
- decarboxilare
Dezaminarea acizilor aminati
duce la formarea cetoacidului corespunzator, cu liberarea de NH3, acesta putand fi utilizat apoi la sinteza altor componente azotate.
Dezaminarea poate avea urmatoarele mecanisme:
- dezaminare oxidativa cu formarea de NH3 si cetoacid corespunzator;
- dezaminare reductiva cu formarea unui acid gras saturat;
- dezaminare desaturanta cu formarea unui acid gras nesaturat;
- dezaminare hidrolitica, cu formarea unui hidroxiacid.
O modalitate de dezaminare frecventa la bacterii o constituie transaminarea, mediata de transaminaze
transferul gruparii NH2 de la un acid aminat la un cetoacid, acesta devenind astfel un nou acid aminat
procesul de transaminare reprezinta, pentru cele mai multe bacterii, modalitatea cea mai frecventa de sinteza a unor acizi aminati proprii.
Decarboxiarea acizilor aminati
anaerobioza si este mediata de decarboxilaze
procesul duce la formarea de amide, gruparea carboxilica (- COOH) fiind de asemenea scindata, cu formarea de CO2
decarboxilarea reprezinta unul din mecanismele importante de formare a CO2
Biosinteza acizilor aminati si a proteinelor
Sinteza acizior aminati de catre bacterii se poate realiza pe cai multiple, unele inca insuficient cunoscute.
Cele mai frecvente modalitati de sinteza a acizilor aminati se realizeaza insa prin procese de aminare si transaminare.
sinteza prin aminare - porneste de la metabolitii intermediari din categoria ceto-acizilor, respectiv de la ac. piruvic, ac. -ceto-glutaric si ac. oxalo-acetic, prin aminarea carora se obtin: alanina, ac. glutamic si ac. aspartic.
Sinteza polipeptidelor
majoritatea proteinelor sunt sintetizate prin polimerizarea acizilor aminati, cu participarea de regula a ATP-ului.
Scindarea ATP-ului furnizeaza celulei bacteriene o mare cantitate de energie, utilizata in parte in procesele de polimerizare (sinteza);
Procesul de biosinteza a proteinelor, al carui mecanism a fost descifrat prin cercetari in sisteme acelulare de E. coli, se desfasoara in doua etape:
- transcrierea in ARNm (transcriptie) a informatiei genetice codificata in macromolecula de ADN;
- traducerea informatiei genetice purtata de ARNm la ribosomi (translatie).
METABOLISMUL LIPIDIC
Bacteriile poseda lipaze care le permit sa degradeze componente lipidice foarte variate (fosfolipide, acizi grasi, steroli)
lipidele au un rol redus in nutritia bacteriilor
prezenta lipidelor in mediile de cultivare nu este necesara nici chiar pentru bacteriile care contin in structura lor cantitati mari de lipide (M. tuberculosis)
sunt totusi unele specii care necesita prezenta in mediu a glicerolului, pe care il utilizeaza mai ales ca sursa de C si energie
toate bacteriile sintetizeaza insa lipide, unele in cantitati apreciabile, acestea intrand mai ales in structura componentelor parietale ale celulei, iar o parte pot fi depozitate in celula ca materii de rezerva
Catabolizarea lipidelor
procesele se desfasoara pe caile metabolice clasice
scindarea lipidelor de catre lipazele bacteriene duce la formarea de acizi grasi si glicerol.
In functie de natura lipidelor catabolizate rezulta diferiti acizi grasi, de regula acizi saturati cu 14-18 atomi de C (in special ac. palmitic si ac. stearic).
un rol important revine acetil-CoA, care activeaza acidul gras.
Fiecare etapa de degradare duce la formarea unui acid gras cu 2 atomi de C mai putin si cu eliberarea unui component dicarbonic cu acetil-CoA.
Sinteza lipidelor
Se realizeaza probabil prin reactii care permit obtinerea unor acizi grasi cu lant carbonic lung, pornind de la anumiti acizi organici prezenti in mediu sau rezultati din metabolismul celular.
In proces intervine, de asemenea, acetil-CoA, care activeaza si transporta acizii organici sub forma de derivati de acetil CoA
Energia necesara sintezelor este furnizata de ATP.
Sursele utilizate de bacterii in sinteza lipidelor sunt variate. De exemplu, M. tuberculosis isi sintetizeaza lipidele mai ales pe baza surselor de C furnizate de glicocol si acetat.
METABOLISMUL ENERGETIC
Bacteriile - vietuitoare chemotrofe, intrucat isi satisfac cerintele energetice exclusiv pe seama reactiilor chimice exoergice
Pe ansamblu, procesele prin care celula bacteriana isi asigura balanta energetica pot fi diferentiate in doua categorii:
- reactii catabolice
- procese respiratorii.
Procesele catabolice si balanta energetica
substratul nutritiv macromolecular este degradat prin reactii succesive si pe cai foarte variate, pana la stadiul de metaboliti intermediari sau produsi finali (CO2 si H2O), fiecare etapa furnizand celulei bacteriene o anumita cantitate de energie.
procesele decurg schematic in trei faze:
- in prima faza, macromoleculele sunt scindate in componentele moleculare constitutive (polizaharidele in monozaharide, proteinele in acizi aminati, lipidele in glicerol si acizi grasi), eliberandu-se o cantitate mica de energie
faza a doua
catabolizarea moleculelor continua pana la stadiul de metaboliti intermediari caracteristici cailor metabolice centrale (piruvat, acetil-CoA, trifosfati).
se elibereaza aproximativ 1/3 din energia continuta in componente.
faza a treia corespunde de fapt proceselor de respiratie celularac - atabolizarea si eliberarea energiei se poate realiza pe diverse cai, dintre care cele mai importante sunt:
calea acizilor tricarboxilici - catabolizarea substratului nutritiv pana la stadiul de produsi finali (CO2 si H2O).
calea fermentativa - metabolizeaza partial substratul nutritiv cu formarea in final a unor produsi de fermentatie (acizi, alcooli).
RESPIRATIA LA BACTERII
reactiile biochimice de oxido-reducere, prin care celula bacteriana isi asigura balanta energetica
Conceptul de respiratie bacteriana devine astfel sinonim celui de metabolism energetic
Procesele de oxidare biologica pun in libertate o cantitate mare de energie.
Utilizarea rationala a acesteia de catre celula bacteriana este asigurata, asa cum s-a aratat, prin doua mecanisme:
eliberarea fractionata, in etape, prin oxidoreduceri succesive ale substratului;
stocarea excedentului de energie in legaturile chimice ale altor componente
Procesele de oxido-reducere constau in dehidrogenarea (oxidarea) substratului, H fiind transportat prin mijlocirea enzimelor la un substrat acceptor care se reduce.
In fiecare etapa se elibereaza o anumita cantitate de energie, din care celula bacteriana utilizeaza o parte pentru satisfacerea cerintelor imediate, iar cealalta parte o inmagazineaza in noi legaturi chimice de regula fosfoergice.
METABOLISMUL ENERGETIC
Bacteriile - vietuitoare chemotrofe, intrucat isi satisfac cerintele energetice exclusiv pe seama reactiilor chimice exoergice
Pe ansamblu, procesele prin care celula bacteriana isi asigura balanta energetica pot fi diferentiate in doua categorii:
- reactii catabolice
- procese respiratorii.
PROCESELE CATABOLICE SI BALANTA ENERGETICA
substratul nutritiv macromolecular este degradat prin reactii succesive si pe cai foarte variate, pana la stadiul de metaboliti intermediari sau produsi finali (CO2 si H2O), fiecare etapa furnizand celulei bacteriene o anumita cantitate de energie.
procesele decurg schematic in trei faze
- in prima faza, macromoleculele sunt scindate in componentele moleculare constitutive (polizaharidele in monozaharide, proteinele in acizi aminati, lipidele in glicerol si acizi grasi), eliberandu-se o cantitate mica de energie
faza a doua
catabolizarea moleculelor continua pana la stadiul de metaboliti intermediari caracteristici cailor metabolice centrale (piruvat, acetil-CoA, trifosfati).
se elibereaza aproximativ 1/3 din energia continuta in componente.
faza a treia corespunde de fapt proceselor de respiratie celulara - catabolizarea si eliberarea energiei se poate realiza pe diverse cai, dintre care cele mai importante sunt:
calea acizilor tricarboxilici - catabolizarea substratului nutritiv pana la stadiul de produsi finali (CO2 si H2O).
calea fermentativa - metabolizeaza partial substratul nutritiv cu formarea in final a unor produsi de fermentatie (acizi, alcooli).
TIPURI DE RESPIRATIE LA BACTERII
In functie de natura acceptorului final de H, reactiile de oxido-reducere se pot realiza la bacterii pe trei cai:
calea oxibiotica sau aeroba, in care acceptorul final de H este O2
calea anoxibiotica sau anaeroba, in care acceptorul final de H este un compus de natura anorganica;
calea fermentativa, in care acceptorul final de H este un compus de natura organica, acesta fiind de regula un produs final rezultat dintr-o succesiune de reactii de oxido-reducere a substratului metabolizabil.
Posibilitatea de a utiliza una sau alta din cai depinde de echipamentul enzimatic pe care il poseda fiecare specie bacteriana.
In raport cu comportamentul fata de O2 lumea bacteriana se imparte in doua categorii:
bacterii aerobe
bacterii anaerobe
In cadrul fiecarei categorii se pot individualiza subgrupe sau subtipuri respiratorii:
- bacterii strict aerobe,
- microaerofile,
- capneice
- strict anaerobe
- facultativ anaerobe etc.
Respiratia la bacteriile aerobe
Acestea dispun de un bogat echipament enzimatic de tipul citocromoxidazelor, care conditioneaza realizarea proceselor respiratorii pe cale oxibiotica.
Reactiile constau schematic in oxidarea unui substrat prin intermediul hidrogenazelor, de la care H este transportat la primul citocrom, apoi succesiv pe ceilalti citocromi.
In final, H este fixat pe O2 activat de oxidaze, cu formarea de apa sau peroxid.
Bacteriile aerobe pot evita actiunea toxica a apei oxigenate pentru ca poseda catalaze sau peroxidaze, prin care dezintegreaza rapid peroxidul format.
Intensitatea metabolismului respirator la bacteriile aerobe se exprima printr-un consum mare de oxigen molecular (atmosferic)
incomparabil mai mare decat consumul de oxigen al celulelor de origine animala.
De exemplu, in timp ce la echivalentul de 1 g tesut hepatic uscat consumul de O2/ora este de 2-5 cm3, la E. coli consumul se ridica intre 100-300 cm3 O2/ora, iar la B. anthracis la 300-900 mm3 O2/minut.
In functie de caracteristicile proceselor respiratorii, bacteriile aerobe se diferentiaza in mai multe subgrupe sau subtipuri respiratorii:
bacterii strict aerobe
bacterii microaerofile
bacterii capneice
bacterii aerobe facultativ anaerobe
- bacterii strict aerobe, cum sunt B. anthracis, B. subtilis, M. tuberculosis etc; acestea se dezvolta numai in medii cu presiune partiala normala de O (corespunzatoare concentratiei atmosferice de cca 21%);
- bacterii microaerofile (Spirochetales) care se dezvolta numai in medii cu presiune partiala redusa de O (in concentratie de regula sub 1%);
bacterii capneice (Brucella) care necesita o atmosfera imbogatita in CO2 si concentratii mai mici de O2. La acestea CO2 actioneaza ca factor stimulator al metabolismului energetic dar si ca sursa de C;
- bacterii aerobe facultativ anaerobe (E. coli, Staphylococcus, Streptococcus etc.) care se dezvolta optim in conditii de aerobioza, dar se pot multiplica si in conditii de anaerobioza. Un asemenea comportament este determinat de faptul ca bacteriile respective isi pot orienta metabolismul energetic pe calea oxibiotica sau pe cale fermentativa, in functie de disponibilitatile mediului in O2.
Respiratia la bacteriile anaerobe
Acestea isi procura energia prin metabolizarea pe cale anoxibiotica a unor compusi anorganici sau organici.
Activarea de H de pe substratul donator se realizeaza prin dehidrogenaze; in final, H este transferat si fixat pe un substrat acceptor, altul decat O2.
Ca acceptori de H sunt utilizate diferite componente chimice reductibile, organice sau anorganice: nitratii, nitritii, ac. fumaric, ac. ascorbic, cisteina, glutationul, albastrul de metilen etc.
Utilizarea acestora ca acceptori de H difera la speciile anaerobe in functie de autotrofismul sau heterotrofismul lor.
Metabolizarea pe cale anoxibiotica a substratului nutritiv este consecinta faptului ca bacteriile anerobe sunt lipsite de citocromi si citocrom-oxidaza, precum si de catalaza si peroxidaza.
Prezenta in mediu a O2 actioneaza ca factor nociv, determinand la unele bacterii anaerobe oxidarea ireversibila a unor enzime, fapt ce duce la blocarea uneia sau chiar a mai multor cai metabolice.
La numeroase specii bacteriene, metabolizarea anoxibiotica a unor compusi organici (proteine, glucide) se face pe calea fermentativa.
In catabolizarea pe aceasta cale a acizilor aminati intervin de regula dezaminazele, iar in unele cazuri desulfurazele anaerobe, degradarile succesive ducand la formarea de metaboliti intermediari ca ac. piruvic si ac. -ceto-butiric.
NH3 eliberat in cursul proceselor de dezaminare poate fi utilizat la sinteza altor componente azotate proprii celulei.
Bacteriile anaerobe proteolitice obtin cantitati importante de energie prin degradarea oxido-reductiva a componentelor proteice macromoleculare.
In cazul lor, H rezultat din oxidarea unor acizi aminati este transferat si fixat pe alti acizi aminati.
Unele bacterii anaerobe utilizeaza nitratii ca acceptori de H, reducandu-i in nitriti
Ansamblul enzimelor care intervin in medierea acestor reactii exoergice actio-neaza concomitent si ca enzime respiratorii.
In raport cu comportamentul bacteriilor anaerobe fata de prezenta in mediu a O2 ele se impart in:
bacterii strict anaerobe sau oxisensibile (Cl. tetani, Cl. botulinum etc.), care nu tolereaza prezenta in mediu a O2, acesta actionand ca un adevarat toxic;
bacterii anaerobe aerotolerante sau oxitolerante care se multiplica si in prezenta unor cantitati reduse de O2, putand fi definite din aceasta cauza si ca bacterii anaerobe facultativ aerobe.
Catabolizarea anoxibiotica a ac. piruvic are obisnuit un caracter fermentativ, cu formarea in final a unor ac. grasi, in functie de specie si de calea de metabolizare.
Procesul fermentativ poate avea in consecinta caracter de:
- fermentatie lactica (caracteristica speciilor din genul Lactobacillus si unor coci Gram-pozitivi);
- fermentatie acetica (caracteristica bacteriilor acetice strict anaerobe);
- fermentatie citrica (caracteristica bacteriilor citrice si Enterobacteriaceaelor);
- fermentatie propionica (caracteristica unor bacterii ruminale Gram-pozitive si lactobacililor);
- fermentatie butilica sau butirica (caracteristica unor specii din genul Clostridium) etc.
Merita relevat faptul ca intre bacteriile ce convietuiesc in acelasi mediu exista obisnuit numeroase legaturi trofice, in sensul ca metabolitii finali elaborati de o specie servesc frecvent ca surse nutritive altor specii.
CRESTEREA SI MULTIPLICAREA BACTERIILOR
in conditii naturale, multiplicarea populatiilor bacteriene este influentata de o multitudine de factori adeseori greu de precizat, fenomenul fiind dependent, nu numai de caracteristicile intrinseci ale germenilor si de existenta substratului nutritiv, ci si de un ansamblu de conditii de viata pe care mediul, in toata complexitatea sa, le ofera diferentiat fiecarei specii.
Activitatea metabolica deosebit de intensa pe care o pot desfasura bacteriile se exprima printr-un ritm foarte rapid de crestere si multiplicare, neintalnit la vietuitoarele din regnul vegetal si animal.
CRESTEREA CELULEI BACTERIENE
este un fenomen obiectiv, controlat si dirijat genetic, fiind mai evident la bacteriile care se gasesc in plin proces de diviziune.
intre crestere si multiplicare exista raporturi stranse de dependenta, marirea celulei bacteriene in volum, pana la o anumita limita, impune, declansarea mecanismelor de diviziune celulara.
Cresterea bacteriilor are la baza - evident - sinteza de materie vie, dar si o intensa hidratare a celulei, volumul acesteia marindu-se de regula de cateva ori.
Marirea in volum a bacteriei implica totodata alungirea si largirea peretelui celular, in special a saculului mureinic.
La unele bacterii, cresterea se produce preponderent in zona ecuatoriala, unde se formeaza si septumul de separare a celulelor rezultate din diviziune.
La altele, cresterea se poate realiza prin brese diseminate in lungul peretelui, prin depunerea de materie pe toata suprafata sau prin cresterea numai in zonele polare.
La multe bacterii cresterea in lungime a celulei si a peretelui are preponderent caracter unipolar, materia nou sintetizata fiind dirijata si organizata la unul din polii celulari
Cresterea unipolara are, probabil, unele implicatii biologice
Celulele rezultate din diviziune nu sunt echivalente ca potente biologice, in sensul ca procesul de crestere unipolara duce inevitabil la formarea unei celule mama, in zona in care se pastreaza de regula organitele celulare vechi si a unei celule fiica, in zona de crestere activa, aceasta fiind beneficiara unor organite celulare noi.
in cinetica populatiilor bacteriene ritmul de succesiune a generatiilor, exprimat prin dublarea numarului de germeni, nu concorda si nu reflecta matematic ritmul de diviziune a bacteriilor dintr-o cultura, ci doar potentele medii de diviziune ale populatiei, in calcul fiind luate si bacteriile care mor in perioada dintre generatii.
MULTIPLICAREA BACTERIILOR
Bacteriile se inmultesc obisnuit prin diviziune directa (sciziparitate) - un numar relativ mic de grupe de bacterii se pot multiplica prin alte modalitati: ramificare si inmugurire (actinomicetele si unele bacterii fotosintetizante), corpusculi elementari (micoplasme) sau prin spori (unele actinomicete).
Diviziunea directa
declansarea diviziunii celulare ca o necesitate a restabilirii raportului optimal dintre suprafata si volum.
la bacterii, raportul optimal suprafata/greutate este de cca 400.000 ori mai mare decat la om.
La majoritatea bacteriilor diviziunea se produce la intervale cuprinse, in medie, intre 20-30 minute; limitele extreme sunt de 9 minute la B. megaterium si de 18 ore la Mycobacterium tuberculosis.
Procesul consta in scindarea bacteriei in doua celule noi, care pot fi aproximativ egale (diviziunea izomorfa) sau inegale (diviziune heteromorfa).
Formele bacilare si spirilii se divid obisnuit pe un plan perpendicular pe axul longitudinal. Exceptional, la unii spirili diviziunea celulei se face in lungime, intr-un plan paralel cu axul longitudinal.
La coci diviziunea se realizeaza succesiv, pe 1, 2 sau 3 planuri perpendiculare unul pe altul, determinate genetic.
Separarea continutului endocelular si a celor doua "celule fiice" se poate realiza fie prin strangulare, fie prin septare.
Divizarea prin strangulare este caracteristica bacteriilor ce apartin tipului "S". Procesul consta in invaginarea membranei citoplasmatice in zona ecuatoriala a celulei, urmata fidel de invaginarea peretelui bacterian, care in final separa cele doua celule.
Divizarea prin septare este caracteristica bacteriilor ce apartin tipului "R". Procesul se realizeaza prin cresterea centripeta a structurilor parietale, initial a membranei citoplasmatice, care formeaza un sept transversal, separand astfel continutul endocelular. Se produce apoi cresterea peretelui celular, care desavarseste separarea celor doua celule.
Septul transversal care separa celulele fiice deriva initial din membrana citoplasmatica, prin invaginarea sau cresterea sa centripeta in zona ecuatoriala a celulei. La formarea septumului participa si mezozomul ecuatorial la care se gaseste ancorat aparatul nuclear.
Procesul este urmat apoi fidel de cresterea centripeta a peretelui bacterian, care separa septumul derivat din membrana citoplasmatica in doua straturi distincte, desavarsind diviziunea celulei.
Premergator septarii se produc procese complexe de restructurare si reorganizare a continutului endocelular. Aparatul nuclear (cromozomul) creste in volum, se alungeste si se divide prin replicarea filamentului de ADN dublu catenar. Se formeaza astfel doua mase nucleare echivalente.
DINAMICA MULTIPLICARII BACTERIILOR IN MEDII LICHIDE
In cinetica multiplicarii bacteriilor in mediile nutritive lichide se disting patru faze:
- initiala (de adaptare sau de lag),
de multiplicare exponentiala (logaritmica),
stationara
de declin
perioada de adaptare este cu atat mai scurta, cu cat mediul si conditiile de cultivare sunt mai convenabile, dar si cu cat numarul germenilor insamantati este mai mare, iar celulele bacteriene mai tinere.
germenii din culturile vechi, cu celule bacteriene imbatranite, la transplantarea lor intr-un alt mediu necesita o perioada de adaptare mai lunga decat germenii din culturile tinere
prezenta in mediu a unor substante usor metabolizabile (cum sunt glucidele simple) duce la scurtarea fazei de adaptare.
germenii trec prin procese profunde de restructurare morfo-biologica, devenind la finele perioadei apti sa inceapa multiplicarea activa.
o parte din bacteriile insamantate mor, numarul lor fiind cu atat mai mare cu cat mediul este mai putin favorabil.
in aceasta faza bacteriile elaboreaza anumite substante difuzibile, cum sunt enzimele inductibile, prin care imprima mediului transformari utile inceperii procesului de multiplicare.
daca la finele perioadei de adaptare germenii sunt eliminati din mediu prin filtrare, iar mediul este reinsamantat cu bacterii din aceeasi specie, acestea incep sa se multiplice mai repede, fara sa necesite o perioada evidenta de adaptare.
Faza de multiplicare exponentiala sau logaritmica.
Se caracterizeaza prin multiplicarea activa a germenilor, pe parcursul fazei inregistrandu-se cel mai intens ritm de diviziune. Cresterea populatiei se produce in progresie geometrica.
Ritmul de multiplicare si durata de succesiune a generatiilor variaza insa cu specia si cu conditiile de mediu
durata fazei exponentiale este relativ scurta
De exemplu, la E. coli dureaza 6-7,5 ore la 37°C, 11-15 ore la 25°C si 14-24 ore la temperatura de 20°C.
ritmul de multiplicare nu este la fel de intens pe toata durata fazei.
initial, se constata pe o perioada de cca 2 ore o accelerare progresiva a ritmului de crestere si multiplicare a germenilor; apoi cand se ajunge la ritmul maxim de multiplicare acesta se mentine constant o perioada relativ scurta, de cateva ore.
ulterior, ritmul de multiplicare se reduce progresiv si aparent inceteaza in momentul cand populatia ajunge la o densitate maxima pe unitatea de volum.
In perioada de incetinire a multiplicarii apar si unele desincronizari in diviziunea germenilor, celulele populatiei gasindu-se in stadii diferite de maturare.
Faza stationara
Cand pe unitatea de volum s-a atins concentratia maxima de germeni, numarul lor se mentine relativ constant o perioada variabila de timp.
Durata fazei stationare nu depaseste la unele specii (Str. pneumoniae, Pasteurella etc.) mai mult de cateva zile, cel mult 1-2 saptamani. La alti germeni faza stationara este mai lunga
Aparent, desi multiplicarea pare ca inceteaza, ea totusi se produce discontinuu dar in proportie redusa si numai in masura in care unele bacterii mor, ele fiind inlocuite de altele noi. Aceasta multiplicare limitativa face ca numarul germenilor pe unitatea de volum sa se mentina aproximativ constant pe toata durata fazei.
Incetarea multiplicarii bacteriilor pare sa fie mai ales o problema de spatiu, prin care sa se asigure fiecarei celule cerintele biologice.
Aceste cerinte nu trebuie insa intelese si interpretate mecanic, in sens restrans, fizic, intrucat ele nu sunt fixe.
Cerintele bacteriilor in "spatiu" trebuie intelese si interpretate in sens biologic larg, dinamic, ele fiind dependente direct de conditiile de viata pe care fiecare mediu le ofera diferentiat populatiei bacteriene.
Faza de declin
Se caracterizeaza prin diminuarea progresiva a numarului de germeni, pana la moartea completa a populatiei.
In anumite momente, odata cu acumularea excesiva in mediu a metabolitilor toxici, numarul bacteriilor viabile poate scadea chiar in progresie geometrica.
Durata fazei de declin difera in limite largi de la o specie la alta. Populatia unor specii bacteriene (Pasteurella, Streptococcus etc.) moare, de regula, in cateva zile.
Din contra, la alte specii bacteriene durata fazei de declin este relativ lunga, de cateva saptamani sau chiar luni.
Uneori, pe parcursul acestei faze se pot inregistra inmultiri spasmodice, dar foarte limitate si trecatoare.
Datorita conditiilor putin favorabile de viata, in faza de declin apar procese accentuate de polimorfism.
Bacteriile iau frecvent forme anormale (mici, sferice, umflate, deformate, gigante, ramificate etc.), considerate ca forme degenerative (de involutie).
De asemenea, se coloreaza slab si au afinitati tinctoriale necaracteristice.
Moartea progresiva a germenilor este consecinta
reducerii sau chiar a epuizarii mediului in substrat nutritiv, a scaderii concentratiei de O2 sau a diminuarii excesive a compusilor utilizati in respiratie
in mediu se acumuleaza tot mai multi metaboliti toxici (acizi, alcooli si alte componente de catabolism), in cantitati incompatibile cu supravietuirea.
MICROORGANISME CU STRUCTURA PARTICULARA
MICOPLASMELE
incadreaza organisme procariote de dimensiuni foarte mici, lipsite de perete celular, prevazute cu membrana citoplasmatica dar incapabile de sinteza de peptydoglican si precursorii sai.
(mollis = moale, elastic; cutis = piele, invelis)
Datorita acestei structuri morfologice sunt rezistente la penicilina si omologii acesteia, dar sensibili la socul osmotic, detergenti, alcooli si anticorpi specifici.
Prezinta un polimorfism accentuat, de la forme sferice cu aspect de para (Ø = 0,3-0,8 µm) la filamente ramificate sau helicoidale
Desi sunt considerate specii imobile, unele prezinta mobilitate prin alunecarea pe suprafete cu lichid
speciile care apar ca filamente helicale prezinta mobilitate prin rotatie, flexiune si translatie.
Speciile se recunosc prin aceea ca pot creste pe medii artificiale acelulare de diferite complexitati, dar pot fi usor cultivate pe culturi de celule.
Majoritatea speciilor necesita pentru multiplicare steroli si acizi grasi.
Sunt facultativ aerobe dar unele obligatoriu anaerobe, fiind distruse prin expunere la cantitati mici de oxigen. Pe medii solide, dezvolta colonii mici, frecvent in profunzimea mediului.
Sunt microorganisme Gram negative parazite, comensale sau saprofite, unele patogene pentru om, animale, plante si insecte. Prezinta un genom foarte mic, iar proportia G+C variaza intre 23 si 40 moli%.
Micoplasmele se gasesc in general ca bacterii epifite pe mucoase dar au fost izolate si din apa.
Sunt sensibile la actiunea razelor ultraviolete, uscaciune, la actiunea detergentilor si dezinfectantilor uzuali.
In vitro, ca si in vivo, sunt sensibile la streptomicina, tetraciclina si alte antibiotice, dar rezistente la penicilina si bacitracina datorita particularitatilor lor structurale.
Sunt rezistente, de asemenea, la sulfamide.
RICKETTSIILE
Rickettsiile au fost considerate mult timp ca un grup de microorganisme intermediare intre bacterii si virusuri.
Au fost incadrate in grupa bacteriilor pe baza caracterelor morfochimice, enzimatice si fiziologice.
Se caracterizeaza printr-un polimorfism accentuat.
Se intalnesc forme cocoide, bacilare si chiar filamentoase de dimensiuni mari. Celula tipica are forma de bastonas cu dimensiuni de 0,3-0,7x1,5-2 µm.
Rickesttsiile sunt bacterii Gram negative dar se coloreaza greu prin aceasta metoda.
In mod obisnuit se folosesc alte metode de colorare care sa le diferentieze de restul elementelor (metoda Machiavello-Stamp-Giemsa).
Structura interna a rickettsiilor este foarte asemanatoare cu a bacteriilor Gram negative, prezentand perete bacterian, citoplasma si un nucleu nediferentiat.
Peretele bacterian are o grosime de 70-100 nm, alcatuit din trei straturi concentrice. In structura peretelui se gaseste acidul muramic si acidul diaminopimelic.
Suprafata externa a peretelui celular este acoperita la cele mai multe specii de o microcapsula.
Membrana citoplasmatica are o structura trilamelara si este dispusa intre peretele bacterian si citoplasma.
Ea reprezinta o structura functionala capabila sa asigure o deosebire neta intre interiorul si exteriorul celulei.
Structura chimica a membranei citoplasmatice este aceeasi cu a bacteriilor. Fosfolipidele, prin dispunerea lor in dublu strat, asigura integritatea structurala si functionala a membranei citoplasmatice. Proteinele se gasesc inclavate in stratul dublu lipidic si au rol enzimatic.
Citoplasma este un sistem coloidal complex format din proteine, glucide, lipide, apa si substante minerale.
In citoplasma se gasesc granule ribozomale, vacuole si unele particule electrono-opace a caror semnificatie biologica nu este inca clarificata.
Rickettsiile contin in citoplasma macromolecule de ARN cu rol in procesele de biosinteza proteica.
Cromozomul bacterian este alcatuit dintr-o molecula unica de ADN cu raportul G:C = 30-45 moli%.
Rickettsiile poseda un metabolism propriu, independent de substratul celular.
Ele dispun de enzime atat pentru producerea de energie, cat si pentru activitatea de biosinteza. Cu toate acestea, odata ajunse in celula gazda, devin dependente de energia acesteia.
Se considera ca ele folosesc ATP propriu pentru procese de biosinteza, iar energia furnizata de celula gazda pentru transportul metabolitilor.
Datorita acestui fapt, in mediul extracelular ele dezvolta activitati enzimatice limitate.
Multiplicarea rickettsiilor se face prin diviziune simpla transversala, cele doua celule despartindu-se prin formarea unui sept transversal, dupa ce in prealabil s-a realizat diviziunea particulelor de cromatina.
In conditii de nutritie necorespunzatoare, multiplicarea inceteaza, iar celulele cresc sub forma unor filamente lungi.
In celulele infectate rickettsiile formeaza incluziuni intracitoplasmatice cu exceptia R. rickettsii si R. coneri, care formeaza incluziuni in nucleu.
Cultivarea rickettsiilor in laborator se poate realiza numai pe celule vii (ou embrionat, culturi de celule si tesuturi).
Rickettsiile prezinta o structura antigenica complexa. La nivelul peretelui bacterian s-au identificat doua structuri antigenice din care una este stabila, rezistenta la spalare, si este considerata ca antigen specific de specie.
Rickettsiile sunt bacterii epifite indiferente sau patogene, prezente in organismul uman, animalelor si intr-o mare masura in organismul unor insecte hematofage.
Relatiile dintre rickettsiile patogene si artropode depind de gradul lor de adaptare determinat filogenetic.
Artropodele ocupa un loc important in ciclul de viata al rickettsiilor, reprezentand un vector de transmitere a infectiei de la o gazda la alta, cat si un rezervor natural de germeni.
Rickettsiile se inmultesc in celulele intestinale la artropode, unele avand efect letal pentru acestea (R. prowazekii), pe cand altele se multiplica fara a le afecta (R. mooserii) si se pot transmite ereditar la generatiile urmatoare.
Eliminate in mediul extern rezista la uscaciune si supravietuiesc cateva luni in dejectiile artropodelor, pe blana animalelor, pe lana, piei etc., putand fi transportate cu acestea la distante mari.
Pot fi conservate la temperaturi scazute si prin liofilizare.
Rickettsiile sunt sensibile la antisepticele uzuale si la antibiotice, dar se dovedesc rezistente fata de sulfamide.
CHLAMIDIILE
Chlamidiile sunt microorganisme obligatoriu parazite intracelular, capabile sa produca o gama larga de infectii la om si la animale.
Prezinta o structura procariota.
Sunt considerate bacterii Gram negative, de dimensiuni reduse, dar deficitare din punct de vedere energetic, ceea ce le obliga la o existenta strict intracelulara.
Morfologic, ca toate bacteriile, poseperete (membrana externa, membrana citoplasmatica, citoplasma cu ribosomi, ARN si un nucleoid compact alcatuit dintr-o macromolecula de ADN d.c.
Chlamidiile, desi dispun de un echipament enzimatic propriu, sunt dependente energetic de celula gazda, fiind incapabile sa produca compusi macroergici (ATP) pentru stocarea si utilizarea energiei.
Chlamidiile se prezinta sub doua forme:
corpi elementari (CE), forma infectanta, cu existenta extracelulara, stabila, cu metabolism lent
corpul reticulat (CR), forma de existenta intracelulara metabolic activa.
Corpii elementari au forma sferica, cu diametrul de 0,2-0,4 µm, imobili, Gram negativi.
Prezinta un perete rigid, bogat in cisteina si un complex lipopolizaharidic cu proprietati antigenice.
Membrana citoplasmatica este fina si separa peretele de citoplasma.
Corpul reticulat, forma de existenta intracelulara, are un diametru de 0,6-0,8 µm, prezentand un perete fin si suplu.
Capacitatea metabolica a acestei forme neinfectante este redusa, fiind capabila sa sintetizeze ADN, ARN si unele proteine specifice.
Multiplicarea se face pe baza unui singur ciclu de dezvoltare, caracterizat prin modificarea corpilor elementari in structuri vegetative - corpi reticulati - care se divid prin fisiune binara.
Acest ciclu se desfasoara pe mai multe faze:
Fixarea
Corpii elementari prezinta un tropism preferential pentru celulele epiteliului cilindric, in special pentru cele ale mucoasei respiratorii, digestive si pentru macrofage.
Corpii elementari se fixeaza la nivelul microvilozitatilor suprafetei apicale a celulelor, proces in care intervin fenomene complexe intre chlamidii si celula gazda.
Penetrarea
Se realizeaza printr-un proces de endocitoza mediat de semnale moleculare prin intermediul receptorilor.
Membrana externa a celulei gazda prezinta zone precis delimitate la nivelul microvilozitatilor pentru fixarea corpilor elementari.
Celula gazda genereaza invaginatii ale membranei sale plasmatice, formand o vezicula in care include corpul elementar. Odata inglobat, acesta se localizeaza in interiorul celulei in zona aparatului Golgi.
Transformarea CE in CR
Se realizeaza prin restructurari morfologice si metabolice.
Initial se constata modificari la nivelul membranei externe a corpilor elementari prin disparitia legaturilor disulfidice interproteice, proces urmat de activarea echipamentului enzimatic si formarea corpilor reticulari.
Maturarea corpilor reticulari are loc atunci cand substantele nutritive ale celulei gazda sunt epuizate.
In acest moment, in interiorul incluziei, corpii reticulari, printr-un proces metabolic specific se condenseaza, formand corpii intermediari (CI), care pot persista mult timp, fara activitate, in celula gazda.
Eliberarea din celula gazda si transformarea corpilor intermediari in corpi elementari se realizeaza sub actiunea unei enzime a carei sinteza este specificata de ADN-ul chlamidiei. Corpii elementari eliberati sunt diseminati in exterior si pot patrunde in alte celule.
Chlamidiile sunt apropiate ca structura de rickettsii dar se deosebesc de acestea printr-o serie de insusiri ca ciclu de multiplicare, transmiterea prin gazde intermediare, sensibilitatea la antibiotice si sulfamide.
|
Politica de confidentialitate |
 .com |
Copyright ©
2024 - Toate drepturile rezervate. Toate documentele au caracter informativ cu scop educational. |
Personaje din literatura |
| Baltagul – caracterizarea personajelor |
| Caracterizare Alexandru Lapusneanul |
| Caracterizarea lui Gavilescu |
| Caracterizarea personajelor negative din basmul |
Tehnica si mecanica |
| Cuplaje - definitii. notatii. exemple. repere istorice. |
| Actionare macara |
| Reprezentarea si cotarea filetelor |
Geografie |
| Turismul pe terra |
| Vulcanii Și mediul |
| Padurile pe terra si industrializarea lemnului |
| Termeni si conditii |
| Contact |
| Creeaza si tu |
