Bacterii [PDF]

Zitiervorschau

BACTERIOLOGIE GENERALĂ 3.1. CONCEPTUL DE BACTERIE Bacteriologia este ramura microbiologiei care se ocupă cu studiul bacteriilor. Termenul de bacterie a fost creat de F e r d i n a n d C o h n în 1872, odată cu încercarea de a elabora una dintre primele clasificări ale acestor microorganisme. Bacteriile sunt microorganisme unicelulare cu structură procariotă - tip de organizare caracterizat prin lipsa membranelor intracelulare, spre deosebire de tipul eucariot, la care nucleul şi unele organite (cloroplastele, mitocondriile) posedă membrane proprii. Materialul genetic sau genomul bacterian este reprezentat de un cromozom format dintr-o moleculă mare de ADN şi de unităţi ereditare extracromozomale numite plasmide, constituite din molecule de ADN mult mai mici (aproximativ 1% din masa cromozomului). Bacteriile sunt lipsite de mitocondrii, aparat Golgi şi reticul endoplasmatic propriu-zis. Funcţiile acestor structuri, caracteristice celulei eucariote, sunt suplinite de alte componente celulare, mai ales de membrana citoplasmatică. Bacteriile sunt metabolic active, deoarece dispun de un echipament enzimatic propriu care realizează reacţiile celulare de degradare şi biosinteză. Nutriţia este de tip absorbtiv, din punct de vedere al accesului substanţelor nutritive în celulă şi de tip chimiotrof sau fototrof, după modul de obţinere a energiei necesare proceselor nutritive. Principala modalitate de multiplicare a bacteriilor este diviziunea simplă binară sau sciziparitatea. Unele specii bacteriene pot exista în natură sub două forme biologice alternative: forma vegetativă care reprezintă celula bacteriană propriu-zisă, dotată cu toate însuşirile caracteristice speciei din care face parte şi forma sporulată, care este o formă de rezistenţă şi de conservare a speciei în condiţii ostile, improprii vieţii. Spre deosebire de celula vegetativă biologic activă, sporul bacterian este o formă dormandă, caracterizată prin absenţa funcţiilor de multiplicare şi a celor biosintetice şi cu o foarte redusă intensitate a celorlalte activităţi vitale. Bacteriile se diferenţiază de celelalte grupe de microorganisme prin caracterele prezentate în tabelul 1.

30

3.2. NOŢIUNI DE TAXONOMIE şi NOMENCLATURĂ BACTERIANĂ 3.2.1. TAXONOMIA BACTERIILOR Taxonomia (gr. taxon = grup) sau sistematica biologică este ştiinţa clasificării. Un taxon biologic reuneşte o sumă de indivizi asemănători între ei în virtutea descendenţei dintr-un strămoş comun, deci posesori ai unei informaţii genetice comune. Prin urmare, clasificarea organismelor vii este o clasificare naturală sau filogenetică. Comparativ cu celelalte regnuri, clasificarea organismelor procariote pe baza acestui criteriu a întâmpinat numeroase dificultăţi, generate de cauze obiective cum ar fi imposibilitatea studierii bacteriilor ca indivizi ci doar ca populaţii, din cauza dificultăţilor de manipulare a unei singure celule. În consecinţă, clasificarea bacteriilor s-a sprijinit deseori pe criterii fenotipice discutabile, din care derivă gradul mult mai mare de convenţional şi arbitrar al taxonomiei bacteriene, în comparaţie cu cel al plantelor şi animalelor. Gruparea bacteriilor în categorii taxonomice pe criterii filogenetice a devenit posibilă relativ recent, prin aplicarea tehnologiilor moderne de biologie moleculară şi biochimie în studiile de genetică bacteriană. 3.2.1.1. Categorii de taxoni Conceptul de specie bacteriană. Unitatea taxonomică de bază a lumii vii este specia. În cazul organismelor superioare, din regnul vegetal sau animal, există criterii bine stabilite de delimitare a speciilor, cel mai important fiind capacitatea de încrucişare. Luând în considerare acest criteriu de bază , specia poate fi definită ca o comunitate reproductivă formată din populaţii care habitează un anumit areal şi ai căror indivizi se încrucişează liber în natură cu orice individ de sex opus, dând naştere la descendenţi fertili care menţin relativ omogen fondul de gene al populaţiei (Buiuc G.,1999). Spre deosebire de reproducerea organismelor superioare, diviziunea celulară a bacteriilor este o înmulţire vegetativă, iar schimbul de material genetic prin conjugare (vezi cap. Genetică) este rar şi nu reprezintă un caracter de specie. Aceste diferenţe, la care se adaugă deosebirile fenotipice mai puţin tranşante ale bacteriilor şi capacitatea mult mai mare de a suferi variaţii fenotipice şi genotipice, sporesc gradul de dificultate în delimitarea speciilor bacteriene şi găsirea unui punct de vedere unitar asupra conceptului de specie bacteriană. Din cele câteva încercări de definire, cărora literatura ultimelor decenii lea acordat mai multă atenţie ( S t a m a t i n- 1958; C o w a n- 1975; G o r d o n – 1978; S t a l e y şi K r i e g – 1984; citaţi de Răducănescu şi col., 1986) rezultă că speciile bacteriene ar putea fi privite ca populaţii de celule cu caractere fenotipice comune, prin care diferă semnificativ de alte populaţii. Fiecare populaţie care aparţine unei specii poartă numele de tulpină bacteriană (clonă sau suşă). Ea este o cultură pură care îşi are originea într-o singură izolare dintr-un mediu natural. Pentru practica bacteriologică, tulpina bacteriană are, prin analogie cu organismele superioare, valoarea unui individ. Toate examenele necesare identificării bacteriilor şi încadrării lor taxonomice se execută pe tulpini şi nu pe celule izolate, plecând de la premiza că o populaţie care constituie o tulpină 31

provine din descendenţa uneia sau a unui număr restrâns de celule şi că este genetic omogenă. Taxonii de rang superior speciei, în succesiunea lor ascendentă, sunt: genul, familia, ordinul, clasa şi diviziunea (încrengătura sau phylum). Genul reprezintă un grup taxonomic alcătuit din mai multe specii înrudite cu specia tip. El poate fi format dintr-o singură specie (gen monotipic), sau, obişnuit,din mai multe specii. Toate bacteriile îşi au locul în cadrul unui gen, iar identificarea genului stă la baza diagnosticului bacteriologic curent. Familia grupează mai multe genuri înrudite, dintre care unul este considerat genul tip. Numeroase genuri nu au fost încadrate încă în familii. Ordinul este un taxon format din familii înrudite, mai rar utilizat, puţine grupe de bacterii fiind încadrate în ordine. Clasa este un taxon superior, care grupează mai multe ordine înrudite. Diviziunea reprezintă o grupare de clase înrudite. 3.2.2. NOMENCLATURA BACTERIILOR Conform normelor generale de nomenclatură în biologie, fiecare bacterie este denumită, după sistemul binominal al lui L i n n é, prin două cuvinte latinizate (de exemplu, Bacillus anthracis), care caracterizează foarte sintetic bacteria respectivă. Primul cuvânt indică genul şi este un substantiv la singular de origine latină, greacă, sau de altă origine, dar latinizat. Numele genurilor sunt inspirate, de regulă, de : - unele caractere morfologice, frecvent forma şi modul de grupare (Bacillus = baston mic; Staphylococcus = ciorchine de strugure; Sarcina = pachet, etc.), asociate uneori cu habitatul natural al bacteriei (Lactobacillus = bastonaş din lapte); - numele bacteriologului care a izolat primul bacteria respectivă sau a avut merite deosebite în studiul ei : Brucella (Bruce), Pasteurella (Pasteur), Escherichia (Escherich), etc. Numele genului se scrie cu iniţială majusculă, întreg sau, în cazul unor enumerări şi numai atunci când precede numele speciei, prescurtat : B. anthracis, E. coli, S. aureus. Cel de-al doilea cuvânt denumeşte specia şi este descriptiv pentru substantivul care reprezintă genul. Numele speciei se scrie întotdeauna cu literă mică. El se poate referi la : - un caracter morfologic, cultural sau biochimic (Staphylococcus aureus, Lactobacillus acidophilus, etc.); - gazda receptivă la care produce infecţii (Brucella suis, Streptococcus equi, Mycoplasma gallinarum, etc.); - boala, un simptom sau o leziune caracteristică (Clostridium tetani, Bacillus anthracis, Mycoplasma agalactiae, Listeria monocytogenes, etc.); - numele bacteriologului care a descris primul bacteria (Actinobacillus lignieresii, Clostridium chauvoei, Coxiella burneti, etc.). Numeroase specii bacteriene au şi nume comune, folosite deseori în vorbirea curentă, ca de exemplu : bacilul piocianic sau bacilul puroiului albastru , pentru Pseudomonas aeruginosa; bacilul lui Koch sau B.K., pentru Mycobacterium tuberculosis; bacilul tetanosului, pentru Clostridium tetani, etc Ordinul şi familia sunt denumite cu numele genului celui mai reprezentativ pentru gruparea taxonomică respectivă, la care se adaugă sufixele ,,ales” pentru ordin şi ,,aceae” pentru familie (ex. genul reprezentativ Rickettsia, ordinul Rickettsiales, familia Rickettsiaceae). 32

3.3. MORFOLOGIA SI BIOLOGIA BACTERIILOR 3.3.1. MORFOLOGIA CELULEI VEGETATIVE Cunoaşterea caracteristicilor morfologice (formă, dimensiuni, mod de grupare, afinităţi tinctoriale, particularităţi morfologice) are o importanţă deosebită în cercetarea şi identificarea bacteriilor, deoarece acestea constituie criterii taxonomice de bază. 3.3.1.1. Forma si modul de grupare a bacteriilor Forma celulelor bacteriene este greu de apreciat în probele prelevate din mediile naturale, motiv pentru care morfologia bacteriilor se studiază pe celulele cultivate în condiţii artificiale de laborator pe medii de cultură adecvate. Forma bacteriilor este controlată genetic, dar este influenţată într-o mare măsură de factorii de mediu (temperatură, pH, compoziţia mediului de cultură, etc.) şi de vârsta culturii. Deoarece condiţiile de cultură se modifică în timp putând cauza apariţia unor forme aberante, morfologia bacteriilor se apreciază numai pe culturi tinere (proaspete). După forma celulei, bacteriile pot fi grupate în patru categorii distincte: sferice, cilindrice, spiralate sau helicoidale şi pătrate (fig.15).

Fig. 15 Forme posibile la bacterii (schemă) 1.coc sferic; 2.coc oval; 3.coc asimetric cu un pol ascuţit şi unul rotunjit; 4.coc asimetric reniform; 5.formă cocoidă; 6.cocobacil; 7.bacil fin; 8.bacil asimetric în formă de măciucă; 9.bacil cu capetele retezate; 10.bacil cu capetele rotunjite; 11.vibrion; 12.spirochetă cu spire mari; 13.spirochetă cu spire mici. La cele mai multe specii bacteriene, celulele – fiice rezultate în urma diviziunii se separă şi rămân independente datorită mişcării browniene, activităţii flagelilor în cazul bacteriilor mobile, curenţilor de convecţie din mediu, etc. La unele specii însă, majoritatea celulelor-fiice nu se despart timp de una sau mai multe generaţii, formând constant grupări caracteristice cu valoare taxonomică . Modul de grupare a bacteriilor este determinat de raportul geometric dintre planurile succesive de diviziune şi de tendinţa celulelor-fiice de a rămâne unite. Bacteriile sferice In terminologia curentă aceste bacterii poartă denumirea de coci. Ele pot avea formă sferică, ovală, lanceolată sau reniformă, diametrele celulei fiind aproximativ egale. In funcţie de raporturile care se stabilesc între celulele-fiice după diviziune, cocii pot fi izolaţi sau grupaţi. Principalele moduri de grupare sunt (fig.16): - diplococul, care rezultă prin diviziunea celulelor în planuri succesive paralele, celulele fiice rămânând grupate câte două; 33

- streptococul, constituit din coci înlănţuiţi ca urmare a diviziunilor succesive în planuri paralele şi a persistenţei legăturilor între celulele-fiice pe parcursul mai multor generaţii; - tetrada sau tetracocul - o grupare de patru celule rezultată din două diviziuni succesive în planuri perpendiculare; - sarcina - o grupare de opt coci sub forma a două tetrade suprapuse, care rezultă în urma a trei diviziuni în planuri perpendiculare: al doilea pe primul şi al treilea pe primele două; - stafilococul, la care planurile succesive de diviziune sunt dispuse în direcţii diferite, astfel încât celulele rezultate formează grămezi neregulate asemănătoare ciorchinilor de struguri.

Fig.16.Modalităţile de grupare a cocilor în funcţie de orientarea planurilor de diviziune celulară (schemă) Bacteriile cilindrice cunoscute sub denumirea comună de bacili, au formă de bastonaşe. Raportul dintre cele două axe variază însă foarte mult, încât, unii bacili au un aspect filamentos, uneori ramificat, iar alţii se apropie de forma sferic-ovală, fiind numiţi din acest motiv cocobacili. Bacilii pot fi drepţi sau uşor încurbaţi la mijloc sau la una din extremităţi, cu capetele tăiate drept ca la Bacillus anthracis, rotunjite ca la majoritatea speciilor, ascuţite ca la Fusobacterium fusiformis, sau dilatate în formă de pişcot sau de haltere - caracteristică a genului Corynebacterium. Diviziunea bacililor are loc după un singur plan transversal pe axul longitudinal. După diviziune, bacilii pot rămâne izolaţi sau grupaţi câte doi (diplobcili),în lanţuri cu lungimi variabile (streptobacili), în palisadă (asemănător dinţilor unui pieptene), sau sub formă de idiograme chinezeşti (fig. 17).

Fig. 17. Modalităţile de grupare a bacililor (schemă): 1.diplobacil; 2.grupare în forma literei V; 3.streptobacil; 4.filament; 5.filament cu citoplasmă granulară; 6.formă ramificată; 7.grupare în palisadă; grupare în ideograme chinezeşti. 34

Filamentul este considerat de unii autori o formă iar de alţii, un mod de grupare. Se pare că ultimul punct de vedere este mai corect întrucât filamentul reprezintă în realitate un plasmodiu, multiplicarea citoplasmei şi a materialului nuclear nefiind urmată şi de constituirea pereţilor celulari şi a membranelor citoplasmatice separatoare între celule. Formele ramificate sunt o excepţie la bacterii. Ele reprezintă tot plasmodii şi sunt caracteristice actinomicetelor - grup de bacterii limitrofe, din punct de vedere morfologic şi al poziţiei taxonomice, ciupercilor. Bacteriile spiralate sau helicoidale In funcţie de numărul de spire şi flexibilitatea peretelui celular, există trei subtipuri morfologice de bacterii spiralate : - vibrionul, cu aspect de virgulă sau asemănător literei ,,S”; - spirilul, cu mai multe spire şi un perete celular rigid, care îi conferă stabilitate morfologică şi dimensională.; - spirocheta, alcătuită de asemenea din mai multe spire, dar care sunt flexibile (se pot strânge sau relaxa) datorită elasticităţii peretelui celular . Bacteriile pătrate au fost puse în evidenţă în probele de apă hipersalină prelevate din bălţile Peninsulei Sinai. Ele formează adesea placarde de 4-16 celule rezultate din mai multe diviziuni succesive, la care se disting cu multă claritate planurile de diviziune. Forma pătrată a acestor bacterii şi faptul că sunt mult aplatizate (0,1 – 0,5 µm grosime) se explică prin lipsa presiunii interne a celulelor în mediu hiperosmotic, situaţie în care, teoretic,bacteriile pot lua orice formă. Figura 18 redă morfologia unor bacterii cu forme şi moduri de grupare diferite vizualizate la microscopul optic. Fig.18

Diplococcus pneumoniae

Bacillus anthracis

Streptococcus pyogenes

Vibrio sp.

35

3.2.1.2. Constantele fizice Dimensiunile bacteriilor variază în funcţie de specie, între 0,1 –15 micrometri (µm) lungime (bacteriile filamentoase ajunând până la 500 µm) şi 0,02 – 2 µm, diametru transversal. Din acest punct de vedere, bacteriile pot fi grupate în trei categorii : mici 0,3 –1,5/0,1 –0,5 µm (ex. Brucella spp.) ; mijlocii 2 – 3/0,5 – 1 µm (ex.Escherichia spp.); mari 10 - 15/1 - 2 µm (ex. Bacillus spp., Clostridium spp. ). In general, există o corelaţie între lungimea şi diametrul transversal al celulelor bacteriene, fără ca aceasta să constituie o regulă. Astfel, germenii din genurile Bacillus şi Clostridium, care sunt cei mai lungi (cu excepţia celor filamentoşi), sunt în acelaşi timp şi cei mai groşi, pe când bacilul rujetului (Erysipelothrix rhusiopathiae), a cărui lungime poate ajunge la 3 – 4 µm, este foarte subţire (0,2 – 0,4µm, diametru transversal). Volumul bacteriilor oscilează între 0,oo3 x 10-12 (ex. Mycoplasma spp.) şi 7,068 x 10-12 (Bacillus megatherium). Densitatea sau greutatea specifică a celulelor bacteriene este ceva mai mare decât a apei , situându-se între 1,07 şi 1,032. Datorită densităţii apropiate de cea a apei, bacteriile plutesc în mediile lichide, din care pot fi separate prin centrifugare. 3.2.1.3. Structura celulei bacteriene Celula bacterină este constituită dintr-un înveliş şi un conţinut. Unele specii bacteriene sunt prevăzute în plus cu organite de mişcare (cilii sau flagelii) şi/sau cu organite de aderenţă (pilii sau fimbriile). In figura 19 este reprezentată schematic structura unei bacterii ipotetice, cu toate componentele menţionate.

Fig.19. Structura unei celule bacteriene tipice https://www.google.ro/search?tbm=isch&hl=ro&source=hp&q=structure+of+bacteria&gbv=2&oq =structure+of+bacteria&gs_l=img.1.0.0i19l10.10766.44375.0.54172.21.11.0.5.5.0.719.5486.31j5j4j1.11.0.msedr...0...1ac.1.34.img..5.16.6593.oLbbyWj_hS4

36

ÎNVELIŞUL Principalele componente ale învelişului celulei bacteriene sunt : - membrana citoplasmatică, prezentă la toate bacteriile în contact intim cu citoplasma; - peretele celular situat la exteriorul membranei, prezent la toate bacteriile cu excepţia micoplasmelor; - capsula şi glicocalixul – structuri extraparietale prezente numai la un număr restrâns de specii bacteriene şi numai în anumite condiţii de mediu. Membrana citoplasmatică Numită şi membrană plasmatică sau membrană celulară, această componentă esenţială a tuturor bacteriilor acoperă de jur împrejur citoplasma, separând-o de faţa internă a peretelui celular. Examinată la microscopul electronic, membrana citoplasmatică apare ca o formaţiune triplu stratificată, cu o grosime de 7,5–10 nanometri, constituită dintrun strat subţire electronotransparent, delimitat de ambele părţi de câte un strat mai gros, electronoopac. Scheletul biochimic al membranei este constituit dintr-un strat dublu de fosfolipide amfipatice cu o orientare polară a regiunilor hidrofile, spre exterior şi respectiv spre interior şi a celor hidrofobe, faţă în faţă (fig.20). Acest strat bimolecular fosfolipidic conferă membranei rolul de barieră osmotică şi oferă un sediu numeroaselor proteine enzimatice care se deplasează spre exteriorul sau interiorul celulei.

Fig.20 Membrana citoplasmatică - reprezentare schematic (https://www.google.ro/search?q=structure+of+bacteria&hl=ro&gbv=2&tbm=isch&ei=g_PuVIau AcL4UIjGg4gD&start=60&sa=N). Membrana citoplasmatică serveşte drept filtru selectiv, permiţând accesul substanţelor nutritive în celulă şi eliminarea cataboliţilor - procese reglate enzimatic de către sistemele de transport şi permeaze. Ea este implicată, de asemenea, în reglarea proceselor de diviziune celulară şi sporogeneză. Prin invaginarea şi plierea membranei spre interiorul celulei bacteriene iau naştere nişte formaţiuni numite mezozomi, care se leagă de genomul bacterian.

37

Peretele celular Peretele cellular este situat la exteriorul membranei citoplasmatice fiind mai gros decât aceasta (15 – 30 nanometri), rigid şi poros. Structura morfochimică a peretelui celular este determinantă pentru grosimea, gradul de rigiditate şi afinitatea sa faţă de anumite substanţe colorante (afinitate tinctorială). In funcţie de modul în care se colorează prin metoda Gram, bacteriile se împart în Gram pozitive (colorate în violet) şi Gram negative (colorate în roşu), iar prin metoda Ziehl – Neelsen, în acidorezistente şi neacidorezistente. La bacteriile Gram pozitive peretele este gros şi rigid, iar la cele Gram negative este mai subţire şi mai elastic. Peretele celular este format dintr-un strat bazal care aderă la membrana citoplasmatică, similar ca şi compoziţie chimică la toate bacteriile şi un strat superficial cu o structură diferită la cele trei categorii tinctoriale (Gram pozitive, Gram negative, acidorezistente), numit stratul structurilor speciale. Stratul bazal este un polimer glicopeptidic numit peptidoglican sau mureină (lat. murus=zid). El este format din macromolecule lungi de zaharide (Nacetilglucozamină şi acid N-acetilmuramic) dispuse paralel şi legate între ele prin punţi polipeptidice, realizând astfel o reţea care încorsetează celula şi îi conferă rezistenţă mecanică. La bacteriile Gram pozitive, stratul structurilor speciale conţine polizaharide şi proteine iar la numeroase specii, acizi teichoici, lipoteichoici şi teichuronici, care conferă peretelui rigiditate (fig. 21). Peretele bacteriilor Gram negative, deşi mai subţire, are o structură mai complexă. Stratul bazal este format dintr-un complex peptidoglican-lipoproteină, iar stratul structurilor speciale este constituit dintr-o membrană externă în care predomină liopopolizaharidele (LPS). Complexul LPS are funcţia de endotoxină. Intre peretele celular şi membrana citoplasmatică a bacteriilor Gram negative se găseşte un spaţiu periplasmatic, care conţine proteine de legare cu rol în chimiotaxie şi numeroase enzime (fosfatază alcalină, enzime hidrolitice, deoxiribonucleaze, etc.) cu rol în pregătirea substanţele care au traversat peretele, pentru trecerea lor prin membrana citoplasmatică. Stratul structurilor speciale este mai bine reprezentat cantitativ la speciile Gram negative, în comparaţie cu cel bazal, raport inversat la speciile Gram pozitive (fig. 22). La bacteriile acidorezistente, structurile speciale sunt foarte bogate în complexe formate din acid micolic şi ceruri, fapt care explică rezistenţa acestora la decolorarea cu acizi (coloraţia Ziehl – Neelsen). Peretele celulelor bacteriene are o semnificaţie biologică multiplă : - prin rigiditatea sa, asigură menţinerea formei celulelor bacteriene; - îndeplineşte rol protector faţă de factorii nocivi de mediu, în special faţă de şocul osmotic, având în vedere că mediile de viaţă ale bacteriilor sunt hipotonice în raport cu conţinutul celulei bacteriene; - prin porii săi, mediază schimbul de substanţe între mediu şi celulă; - participă la procesul de creştere şi diviziune celulară, urmând membrana citoplasmatică în formarea septurilor transversale care separă celula-mamă în cele două celule-fiice; - conţine receptori pentru bacteriofagi şi bacteriocine; - conţine enzime autolitice care se activează în momentul sporulării eliberând sporul prin liza sporangiului şi în momentul germinării determinând liza învelişurilor sporale.

38

Fig.21. Structura peretelui bacterian la bacteriile Gram pozitive https://www.google.ro/search?q=structure+of+bacteria&hl=ro&gbv=2&tbm=isch&ei=jfP uVPmAGMz2Up_lgvgH&start=80&sa=N

Orice factor care alterează sau inhibă sinteza peptidoglicanului (fermenţi litici, antibiotice, carenţe nutritive, etc.) determină, atât ,,in vitro” cât şi ,,in vivo”, apariţia unor bacterii cu morfologie modificată, cunoscute sub denumirile de protoplaşti şi sferoplaşti.

Fig. 22 Structura peretelui bacterian la bacteriile Gram negative https://www.google.ro/search?q=structure+of+bacteria&hl=ro&gbv=2&tbm=isch&ei=jfP uVPmAGMz2Up_lgvgH&start=80&sa=N

Capsula Capsula este o formaţiune extraparietală, prezentă numai la anumite specii bacteriene şi numai în anumite condiţii de mediu. Speciile patogene capsulează de regulă în organism sau în cazul prezenţei în mediul de cultură a unui lichid organic (ser sanguin, plasmă, lichid ascetic etc.) Bacteriile capsulogene care interesează patologia veterinară sunt: Bacillus anthracis, Streptococcus pneumoniae, Klebsiella pneumoniae, Clostridium perfringens, Pasteurella multocida. Capsulele acestor specii se deosebesc prin gradul de aderenţă la peretele celular, grosime, consistenţă şi structură chimică. 39

Din punct de vedere chimic, capsula este formată din 98% apă, restul fiind reprezentat de polizaharide sau polipeptide, în funcţie de specie. Funcţia biologică a capsulei este de a proteja celula bacteriană faţă de acţiunea unor factori nocivi. In cazul speciilor patogene, capsula are un rol important în evitarea procesului de fagocitoză, constituind un important factor de agresivitate. Inafara organismului, prin conţinutul crescut de apă, capsula protejează bacteriile de efectele desicaţiei. CONŢINUTUL Conţinutul celulei bacteriene se compune din citoplasmă şi genom bacterian. Citoplasma Citoplasma celulei bacteriene are consistenţă de gel, nu prezintă curenţi citoplasmatici şi în consecinţă, nici deplasări evidente ale elementelor componente. La celulele tinere şi în condiţii normale de dezvoltare, citoplasma aderă la membrană şi se prezintă ca o masă densă, omogenă şi intens colorabilă. La celulele îmbătrânite, citoplasma îşi pierde treptat afinitatea tinctorială, se retractează centripet şi capătă o structură granulară cu numeroase vacuole. Citoplasma reprezintă sediul materialului genetic şi al unor structuri cu caracter de granule, incluzii şi vacuole. Spre deosebire de celulele eucariote, in citoplasma celulelor bacteriene lipsesc mitocondriile, aparatul Golgi şi reticulul endoplasmatic propriu-zis. Ribozomii sau granulele lui Palade reprezintă elementele de bază ale citoplasmei, în care apar ca mici granule relativ sferice, cu un diametru de 10-20 nanometri, numărul lor fiind de ordinul zecilor de mii. Din punct de vedere chimic, ribozomii sunt alcătuiţi din acid ribonucleic (65%) şi proteine (30-35%). Sub raport funcţional, ribozomii constituie sediul sintezei proteinelor structurale şi enzimatice, pe baza informaţiei genetice preluate de la ADN prin intermediul ARN-ului mesager. Activitatea ribozomilor bacterieni poate fi inhibată de unele antibiotice cum sunt streptomicina, neomicina şi tetraciclinele. La organismele eucariote, ribozomii sunt insensibili faţă de antibiotice, fapt care permite utilizarea acestora în terapia bolilor infecţioase, fără afectarea organismului. Incluziile sunt structuri inerte, prezente inconstant în citoplasma bacteriilor. Ele reprezintă materiale de rezervă care se acumulează în celulă direct proporţional cu vârsta şi conţinutul mediului în substanţe nutritive. Din punct de vedere chimic, incluziile sunt formate din polimeri organici (amidon, glicogen, acid poli-β-hidroxibutiric), cristale de substanţe anorganice (sulf, carbonat de calciu) şi polimeri anorganici. Cromatoforii, prezenţi la bacteriile fotosintetizante, sunt organite specializate în procesele de biosinteză prin mecanisme analoage fotosintezei plantelor. Vacuolele sunt variabile ca mărime (0,3 – 0,5 µm) şi număr (6-20/celulă), fiind mai frecvent întâlnite la celulele tinere. Ele pot conţine lichide cu rol în reglarea presiunii osmotice, sau gaze. Vacuolele cu gaze sunt prezente în citoplasma unor bacterii din sol, capabile să capteze azotul atmosferic şi la bacteriile acvatice aerobe pe care le antrenează la suprafaţa apei, asigurându-le contactul cu oxigenul atmosferic. 40

In citoplasma celulelor bacteriene se găseşte cea mai importantă parte din echipamentul enzimatic răspunzător de metabolismul celulei, precum şi diferite tipuri de ARN (mesager, ribozomal şi solubil). Pigmenţii sunt substanţe colorate prezente în citoplasma bacteriilor cromogene. Speciile patogene pentru om şi animale, producătoare de pigmenţi sunt: Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Rhodococcus equi, Mycobacterium tuberculosis.. Semnificaţia biologică a pigmenţilor bacterieni diferă în funcţie de natura chimică a pigmentului, fără a fi complet elucidată. Rolul clorofilelor în fotosinteză este bine stabilit, însă asupra funcţiei celorlalţi pigmenţi, părerile emise au valoare ipotetică. În practica identificării bacteriilor, prezenţa pigmenţilor este un criteriu taxonomic valoros şi uşor decelabil. Citoplasma constituie sediul metabolismului bacterian unde se desfăşoară procesele de asimilaţie şi dezasimilaţie, precum şi alte funcţii vitale ale celulei bacteriene cum sunt reproducerea şi sporogeneza. Materialul genetic Materialul genetic al bacteriilor este constituit din material genetic nuclear şi din plasmide . Materialul genetic nuclear este format dintr-un singur cromozom şi nu este delimitat de o membrană proprie. Pentru a marca aceste diferenţe faţă de nucleul celulelor eucariote, termenul de ,,nucleu” a fost înlocuit cu termenii de ,,nucleoid”, ,,genom bacterian”, ,,cromozom bacterian” sau ,,nucleozom”. Cromozomul este constituit dintr-o macromoleculă de ADN bicatenar care conţine 4 . 106 perechi de nucleotide şi are o lungime de aproximativ 1 mm. Macromolecula de ADN se află însă într-o stare compactă, condensată, prin pliere şi superspiralare, astfel încât ocupă doar 5-16% din volumul celulei. Nucleoidul are o formă asemănătoare cu a celulei bacteriene: sferică în cazul cocilor şi alungită în cazul bacililor. Pe lângă AND, cromozomul bacterian mai conţine cantităţi reduse de proteine, lipide şi ARN. Plasmidele sunt molecule mici de ADN dublu catenar, independente de cromozom, caracteristice pentru celula procariotă. Pentru desemnarea lor se utilizează deseori termenii de material genetic auxiliar sau extracromozomal. Plasmidele reprezintă aproximativ 1% din mărimea şi masa moleculară a cromozomului şi sunt, în majoritatea lor, transferabile de la o celulă bacteriană la alta în cadrul fenomenului de conjugare. Atât cromozomul cât şi plasmidele au posibilitatea de autoreplicare. Replicarea plasmidelor are loc independent de cea a cromozomului. Funcţia biologică a materialului genetic constă în determinarea caracterelor care definesc fiecare specie bacteriană şi transmiterea lor ereditară. Având în vedere posibilitatea de transfer a plasmidelor, se poate aprecia că ele au un rol major în procesul de circulaţie a informaţiei genetice în cadrul populaţiilor bacteriene, care are ca rezultat o mai bună adaptare a acestora la condiţiile de mediu.

41

ORGANITELE CELULARE Organitele celulare (cilii sau flagelii şi pilii sau fimbriile) sunt formaţiuni extraparietale, prezente numai la unele specii bacteriene, cu rol în procesele de adaptare la mediu. Cilii (flagelii ) Cilii sunt organite de formă cilindrică, cu diametrul de 12-25 nanometri şi lungimea de 25-30 micrometri, întâlnite mai ales la bacteriile alungite – bacili, vibrioni, spirili – şi mai rar la formele cocoide. Au rol în mişcare, bacteriile ciliate fiind mobile. Intre speciile bacteriene ciliate există diferenţe sub aspectul numărului şi al modului de dispunere a cililor pe suprafaţa celulei bacteriene, distingându-se următoarele categorii de bacterii: atricha (neciliate), monotricha (un singur cil dispus polar), amfitricha (unul sau mai mulţi cili la ambii poli), lofotricha (un smoc de cili la unul din poli) şi peritricha (numeroşi cili amplasaţi pe toată suprafaţa celulei) – fig. 23.

Fig. 23 Numărul şi modalităţile de dispunere a cililor pe suprafaţa celulei bacteriene: 1. atricha; 2 monotricha; 3 lofotricha; 4 şi 5.amfiticha; 6. peritricha. Cu ajutorul cililor, bacteriile se pot deplasa cu viteza de 20-80 micrometri pe secundă, echivalând cu de 40 de ori lungimea celulei bacteriene. Pentru comparaţie, menţionăm faptul că ghepardul, considerat cel mai rapid dintre animale, aleargă cu o viteză care nu depăşeşte de trei ori lungimea corpului pe secundă. Bacteriile realizează o mişcare de rostogolire când cilii se rotesc în sensul acelor de ceasornic şi o deplasare în linie dreaptă când aceştia se rotesc în sens antiorar. In determinarea direcţiei de deplasare intervin mecanismele de tip chimiotactic. Substanţele utile metabolismului bacterian (glucidele, aminoacizii, ionii de calciu şi de magneziu, oxigenul pentru bacteriile aerobe, etc) sunt atractante, exercitând un chimiotactism pozitiv asupra bacteriilor ciliate, iar cele nocive (alcoolii, ionii de hidrogen, ionii hidroxil, metalele grele, etc.) au un efect repelant (de respingere) printr-un chimiotactism negativ. Analog capsulogenezei, sinteza cililor este dirijată de factori genetici a căror represare şi depresare este realizată de factorii mediului ambiant. Factorii de mediu capabili să inducă variaţii fenotipice în geneza şi motilitatea cililor sunt temperatura şi diverse substanţe chimice. Astfel, Yersinia enterocolitica şi Listeria monocytogenes sunt mobile numai la 20-22ºC (nu şi la 37ºC), serurile 42

hiperimune specifice inhibă mobilitatea salmonelelor şi a altor specii ciliate, iar acidul boric şi sulfatiazolul inhibă mobilitatea speciei Proteus vulgaris. Pilii (fimbriile Pilii sunt apendici filamentoşi mult mai subţiri şi mai scurţi decât cilii dar mult mai numeroşi, aşezaţi peritrich pe suprafaţa bacteriilor şi vizibili numai la microscopul electronic. Denumirile prin care sunt desemnate aceste structuri sugerează caracteristicile lor morfologice: fimbrii (lat. fimbria = franjuri), pili (lat. pilus = păr). In funcţie de unele caractere morfologice, de număr şi de funcţia biologică pe care o îndeplinesc, se deosebesc 6 tipuri de pili, notate cu cifre romane de la I la V şi cu litera F (pilul sexual sau donor). In ultimii ani există tendinţa de a departaja, din punct de vedere semantic, cei doi termeni - ,,fimbrii” şi ,,pili” - în sensul utilizării primului pentru desemnarea tipurilor I-V şi a celui de-al doilea, numai pentru pilii de sex. Fimbriile sunt formaţiuni tubulare compacte, fără canal axial, cu dimensiuni cuprinse între 1-20 µm lungime şi 3-14 nm diametru. Ele sunt dispuse pericelular, uneori polar sau bipolar, numărul lor variind între 1 şi 1000 per celulă. Fimbriile conferă bacteriilor capacitatea de a adera la suprafaţa epiteliilor şi a altor substraturi, fiind considerate factori de patogenitate. Pilii de tip F, denumiţi şi pili sexuali, sunt structuri tubulare străbătute de canal axial, în structura cărora intră o fosfoglicoproteină (pilina), ale cărei molecule sunt ansamblate după o simetrie helicoidală. Ei sunt codificaţi de o plasmidă numit factorul ,,F” (de fertilitate sau de sex), care conferă celulei purtătoare proprietatea de donor de material genetic sau celulă - mascul F+. Rolul pililor ,,F” este analog organului copulator, deoarece prin lumenul lor are loc transferul de ADN de la o celulă bacteriană F+ la una F- în cadrul procesului de conjugare - o formă primitivă de sexualitate, singura posibilă la bacterii. 3.3.2. FIZIOLOGIA BACTERIILOR 3.3.2.1. Compoziţia chimică a celulei bacteriene Compoziţia chimică elementară a bacteriilor, sub aspectul conţinutului în elemente biogene, nu diferă de a celorlalte organisme vii. Compoziţia moleculară se diferenţiază însă de cea a organismelor vegetale şi animale prin prezenţa unor constituenţi moleculari specifici bacteriilor. O celulă bacteriană conţine aproximativ 3000-6000 tipuri de molecule diferite, dintre care aproximativ jumătate aparţin compuşilor anorganici cu masă moleculară mică (apa şi sărurile minerale), iar cealaltă jumătate, compuşilor organici cu diverse grade de complexitate structurală. 3.3.2.1.1. Compuşii anorganici Apa reprezintă aproximativ 75-80 % din greutatea umedă a celulei bacteriene, în care se găseşte sub formă liberă sau legată inseparabil de alte structuri chimice. Ea constituie mediul care asigură vehicularea substanţelor nutritive şi a metaboliţilor, precum şi desfăşurarea reacţiilor chimice care stau la baza proceselor vitale. Sărurile minerale reprezintă 2 – 30% din greutatea bacteriilor uscate. 43

Elementele care intră în compoziţia lor sunt : P, K, Na, Cl, S, O, H, Fe şi în proporţii mai reduse, Mg, Cu, şi Zn. Sărurile minerale îndeplinesc următoarele funcţii biologice: - asigură reglarea presiunii osmotice la nivelul membranei citoplasmatice ; - realizează sistemul tampon adecvat menţinerii pH-ului optim al mediului celular; - activează unele sisteme enzimatice, rol pe care îl îndeplinesc mai ales ionii de Cu şi de Mg ; - intră în structura unui important număr de constituienţi celulari (rol plastic). 3.3.2.1.2. Compuşii organici Glucidele totalizează 4 – 25% din greutatea celulelor bacteriene uscate, proporţia lor variind în funcţie de specia bacteriană, vârsta culturii şi compoziţia chimică a substratului nutritiv. Ele au rol plastic, energetic sau de material de rezervă. Lipidele, prezente în celula bacteriană în proporţie de 1 – 20 % din greutatea uscată a bacteriilor, pot fi din punct de vedere chimic, gliceride, fosfatide, steride şi ceruri. Alături de glucide, lipidele constituie rezervele nutritive ale celulei bacteriene cu un potenţial energetic crescut. Acizii nucleici. Spre deosebire de virusuri, care conţin un singur tip de acid nucleic, în celula bacteriană sunt prezenţi ambii acizi nucleici. Acidul dezoxiribonucleic (ADN) reprezintă aproximativ 1/5 din conţinutul celulei, fiind constituientul nucleoidului, respectiv al cromozomului bacterian şi al plasmidelor. Acidul ribonucleic (ARN), se găseşte în citoplasmă sub cele trei forme diferite sub aspectul mărimii moleculei şi al funcţiei biologice pe care o îndeplinesc în mecanismul sintezei proteinelor: ARN mesager, ARN de transport sau solubil şi ARN ribozomal. ARN-ul total constituie 10 – 20 % din greutatea uscată a celulei. Proteinele reprezintă aproximativ 60% din greutatea uscată a bacteriilor şi constituie componentele esenţiale pentru viaţa celulei bacteriene. Ele se găsesc atât în stare pură cât şi sub formă de complexe lipo- sau glicoproteice. Din punct de vedere al rolului pe care îl îndeplinesc, proteinele bacteriene pot fi grupate în : - proteine constitutive, care fac parte din structura diferitelor componente celulare, şi - proteine enzimatice (enzimele), care constituie biocatalizatorii întregii activităţi metabolice a celulei bacteriene. Enzimele constituie, în ansamblul lor, aparatul sau echipamentul enzimatic al celulei bacteriene. El este caracteristic pentru fiecare specie bacteriană şi reprezintă, prin urmare, un important criteriu taxonomic. Punerea în evidenţă a enzimelor bacteriene prin reacţii sau teste biochimice face parte din conduita curentă a identificării bacteriilor. 3.3.2.2. Nutriţia la bacterii Microorganismele, ca şi celelalte organisme vii, sunt caracterizate printr-o activitate fiziologică neîntreruptă, mai mult sau mai puţin intensă, în cursul căreia cresc, se divid, îşi modifică structura, compoziţia chimică şi poziţia în mediu, etc. Exercitarea acestor activităţi presupune prezenţa în mediile lor de viaţă a unor substanţe nutritive utilizabile în sinteza constituienţilor celulari (surse plastice) şi a unor surse de energie.

44

Exigenţe şi tipuri nutritive la bacterii Posibilităţile bacteriilor de a folosi diverse surse plastice şi energetice sunt extrem de variate. Considerate în ansamblu, microorganismele sunt cele mai omnivore organisme cunoscute, deoarece îşi realizează metabolismul folosind cele mai diverse surse de substanţe nutritive: de la N molecular, CO2 şi S, până la substanţele organice complexe. In raport cu sursa de energia pe care o utilizează în procesul de nutriţie, bacteriile se încadrează în două tipuri principale : - tipul fototrof care utilizează energia luminoasă transformând-o în energie de legare chimică cu ajutorul unor pigmenţi asemănători clorofilei; - tipul chimiotrof, lipsit de pigmenţi fotosintetizanţi, pentru care unica sursă de energie o reprezintă reacţiile biochimice de oxidoreducere. Pe baza capacităţii de a utiliza substanţele anorganice şi organice ca surse de material de sinteză şi energie se diferenţiază : - tipul litotrof (lith = piatră) sau autotrof (în sensul de independent, liber) căruia îi aparţin bacteriile capabile să-şi sintetizeze toţi constituenţii celulari pornind de la surse simple anorganice de C şi de N ca : CO2, NH3, NO2, NO3, etc.; - tipul organotrof sau heterotrof în care se încadrează bacteriile dependente de materia organică, care nu se pot dezvolta decât în prezenţa substanţelor organice ca surse de energie, C şi N. Deci, în timp ce autotrofele prin sintezele lor generează substanţe organice, heterotrofele le descompun. Ansamblând cele două criterii, bacteriile fototrofe pot fi împărţite în fotoautotrofe ( fotolitotrofe ) şi fotoorganotrofe ( fotoheterotrofe ), iar bacteriile chimiotrofe se pot clasifica , de asemenea, în chimioautotrofe ( chimiolitotrofe ) şi chimioorganotrofe ( chimioheterotrofe ). In rândul bacteriilor chimiotrofe se pot însă diferenţia tipuri intermediare capabile să utilizeze atât compuşi organici cât şi anorganici. Astfel, există bacterii capabile să utilizeze carbonul organic sau anorganic şi azotul anorganic constituind un subtip numit mezotrof. Altele pot metaboliza carbonul organic şi azotul anorganic fiind încadrate în subtipul prototrof. Deoarece bacteriile autotrofe nu interesează bacteriologia medicală şi medical-veterinară, în continuare vor fi menţionate numai sursele de substanţe organice pentru cele mai importante elemente biogene necesare bacteriilor chimioheterotrofe, categorie în care se încadrează majoritatea bacteriilor patogene. Principala sursă de carbon pentru aceste bacterii o reprezintă glucidele şi polialcoolii şi într-o proporţie mai redusă diferiţi acizi organici, cetonele, lipidele, acizii graşi, etc. Sursele de azot organic sunt reprezentate în primul rând de aminoacizi, urmaţi în cazul a numeroase specii, de alte substanţe cu azot diferite ca grad de complexitate: uree, peptone, proteine. Unele bacterii patogene pot folosi şi surse de azot anorganic, cum este amoniacul rezultat din hidroliza ureei sau din reducerea nitraţilor în nitriţi şi a nitriţilor în amoniac. Inafară de carbon şi azot , toate bacteriile au nevoie de macroelemente (P, S,, O, H, K, Mg, Fe, Ca,Mn, etc.) şi microelemente ( Cu, Zn, Mo, etc. ), acestea din urmă fiind indispensabile activităţii catalitice a unor enzime.

45

3.3.2.3. Metabolismul bacterian Prin analogie cu celula vegetală şi animală, metabolismul bacterian implică totalitatea reacţiilor biochimice catalizate enzimatic care permit bacteriilor să obţină din nutrienţi, atât compuşi necesari pentru sinteza constituienţilor celulari, cât şi energia necesară pentru aceste sinteze şi pentru alte activităţi care necesită consum de energie. Activitatea metabolică a bacteriilor poate fi diferenţiată în metabolism energetic care include catabolismul şi respiraţia şi metabolism de sinteză sau anabolism. 3.3.2.3.1. Catabolismul Substraturile exogene care pot constitui surse energetice şi plastice pentru bacteriile heterotrofe sunt reprezentate în majoritatea cazurilor de compuşi organici cu structură complexă : proteine, glucide, lipide. Eliberarea energiei prin procesele de catabolism se realizează treptat, în trei faze distincte. Faza I Macromoleculele sunt dezansamblate în unităţile lor de construcţie: proteinele în aminoacizi, polizaharidele în monozaharide, iar lipidele în glicerol şi acizi graşi. In această primă fază se eliberează de obicei mai puţin de 1% din energia totală a macromoleculelor care se pierde în bună parte sub formă de căldură. Faza II Aminoacizii, monozaharidele şi acizii graşi rezultaţi în prima etapă suferă o degradare incompletă cu formarea de produşi intermediari - amoniac, acid piruvic, acizi graşi inferiori, etc.- bioxid de carbon şi apă. Energia eliberată reprezintă aproximativ o treime din energia totală a substraturilor iniţiale. In această fază, hexozele pot fi metabolizate pe căi diferite - calea glicolizei, calea Entner-Doudoroff sau calea hexozomonofosfatului - dar produşii finali nu sunt foarte diferiţi. In mod similar , aminoacizii pot fi catabolizaţi pe căi diferite , dar, indiferent de calea utilizată , rezultatul constă în formarea de acetilCo A sau de intermediari ai ciclului acizilor tricarboxilici ( ciclul Krebs ). Faza III In cursul acestei faze, produşii intermediari sunt descompuşi în CO2 şi H2O pe calea acizilor tricarboxilici, rezultând, de regulă, cantitatea maximă de energie. Nu toate substraturile ajung însă la această ultimă fază. In multe cazuri, degradarea se opreşte la produşii intermediari care sunt deseori preluaţi sub formă de precursori şi introduşi în filiera reacţiilor anabolice sub acţiunea enzimelor biosintetizante. Pentru produşii finali rezultaţi din activitatea catabolică, celula bacteriană dispune de multiple căi de utilizare, şi anume : -hidrogenul rezultat din procesele de oxidare este introdus în circuitul respirator pentru reacţiile de reducere cu cedare către alţi acceptori. -oxigenul rezultat în urma reacţiilor de reducere este valorificat în procesele de oxidare; -energia rezultată în diferitele etape ale degradării catabolice este utilizată în procesele endergonice (consumatoare de energie) ale biosintezelor celulare. 3.3.2.3.2. Respiraţia Bacteriile, ca toate celelalte vieţuitoare, respiră, ceea ce în sensul obişnuit al cuvântului înseamnă că ele consumă oxigen pentru a produce cu ajutorul lui reacţii chimice exoterme eliberatoare de energie. Pasteur a observat cel dintâi că unele specii bacteriene trăiesc şi se înmulţesc în absenţa oxigenului mai bine chiar decât în prezenţa lui, deci respiră fără oxigen. Această constatare, pe lângă altele, 46

a dus la o lărgire a conţinutului noţiunii de respiraţie, în sensul că se numeşte proces respirator orice reacţie chimică eliberatoare de energie care se petrece in vivo în prezenţa sau în absenţa oxigenului. Bacteriile chimiotrofe îşi procură cea mai importantă parte a energiei prin procesul de respiraţie celulară care constă într-o succesiune de reacţii de oxidoreducere biologică ce pot avea loc în aerobioză sau anaerobioză*. Prin oxido-reducere biologică se înţelege pierderea atomilor de H ( e¯ şi H +) din molecula unei substanţe chimice ( S ) care se oxidează eliberând energie şi transferul lor către o substanţă acceptoare ( A ) care se reduce, conform ecuaţiei: SH2 + A< => S + AH2 + energie Respiraţia la bacterii se rezumă în esenţă, la preluarea hidrogenului rezultat din reacţiile catabolice prin intermediul unor enzime numite dehidrogenaze şi cedarea lui către un acceptor final care poate fi oxigenul sau altă substanţă. După natura acceptorului final de electroni de H, respiraţia bacteriană este de trei tipuri : - respiraţia aerobă (oxibiotică), un proces de de oxidare completă a substraturilor cu ajutorul oxigenului molecular ca acceptor final de H şi eliberarea unei cantităţi mari de energie ; - respiraţia anaerobă (anoxibiotică) în care acceptorul final de H poate fi orice substanţă anorganică, exceptând oxigenul; - fermentaţia, un proces de oxido-reducere biologică care are loc în condiţii de anaerobioză sau în prezenţa oxigenului dar fără intervenţia lui şi în care energia este obţinută prin utilizarea compuşilor organici atât ca donatori cât şi ca acceptori de electroni. Spre deosebire de respiraţia aerobă, în cursul fermentaţiei se eliberează o mică parte din energia conţinută în substrat , rezultând numeroşi produşi de degradare parţială. Aceştia variază foarte mult în raport cu substratul şi calea metabolică * * . Deoarece eliberarea bruscă a energiei din substraturile oxidate - într-o singură treaptă (aşa cum arată reacţia de mai sus) - ar fi dăunătoare pentru celulă, transferul hidrogenului către acceptor se realizează în mai multe etape, cu participarea unui întreg arsenal de enzime respiratorii care servesc ca acceptori tranzitorii de hidrogen. Ele se reduc şi se oxidează succesiv prin preluarea şi respectiv cedarea hidrogenului de la una la alta către acceptorul final, constituind sistemul transportor de electroni sau catena de respiraţie celulară . 3.3.2.3.3. Anabolismul Anabolismul constă în secvenţe de reacţii enzimatice, desfăşurate în trepte, prin care se efectuează sinteza constituienţilor celulari pornind de la precursori reprezentaţi de produşii intermediari ai catabolismului sau de substanţele preluate din mediu. Ca şi procesele de catabolism, reacţiile de biosinteză se realizează tot în trei faze care se succed în sens invers : - producerea de subunităţi care vor intra în componenţa macromoleculelor specifice fiecărui constituient celular; - activarea subunităţilor cu ajutorul energiei eliberate prin descompunerea compuşilor macroergici de tip ATP (adenozin-trifosfat) în care a fost stocată pe parcursul degradării diferiţilor compuşi ; - formarea de macromolecule prin polimerizarea sau condensarea subunităţilor activate. Totuşi, căile catabolice şi anabolice pentru un anumit substrat nu sunt complet reversibile. Astfel, reacţiile anabolice au ca punct de plecare, de cele mai 47

multe ori, compuşi intermediari foarte diferiţi de cei care rezultă din catabolismul compusului respectiv iar enzimele implicate sunt parţial diferite. De exemplu, catabolismul serinei duce la formarea de piruvat, în timp ce sinteza ei începe de la 3-fosfoglicerat; histidina este catabolizată la α-cetoglutarat, iar sinteza ei este iniţiată de la ribozo-5-fosfat; degradarea glicogenului la acid lactic este catalizată de 12 enzime , dintre care numai 9 catalizează reacţii reversibile. 3.3.2.4. Creşterea şi multiplicarea bacteriilor 3.3.2.4.1 Creşterea bacteriilor Celula bacteriană creşte pe seama depunerii de substanţă celulară rezultată din metabolismul de biosinteză şi a sporirii conţinutului în apă. Creşterea se poate realiza uni- sau multidimensional, în funcţie de locul şi modalitatea de dispunere a substanţei nou elaborate. După L a m a n n a (cit. de Z a r n e a, 1984), există următoarele posibilităţi teoretice de creştere a celulei bacteriene: - creşterea la una din extremităţi ; - creştera la ambele extremităţi ; - creşterea în vecinătatea constituirii viitorului sept de diviziune ; -creşterea prin intususcepţiune (depunerea de substanţă nouă diseminat şi intercalat printre constituienţii celulari preexistenţi ); - creştere prin depunerea materialului nou în zona periferică a celulei (limitrof învelişului). In cursul creşterii celulei bacteriene, raportul suprafaţă / volum se micşorează treptat datorită faptului că în timp ce suprafaţa bacteriilor creşte cu o raţie pătratică, volumul lor se măreşte cu o raţie cubică. Ori, activitatea normală a bacteriilor este condiţionată de existenţa unui raport optim între volumul celulei, care consumă şi suprafaţa ei, prin care se face absorbţia substanţelor nutritive şi eliminarea cataboliţilor. In consecinţă, pe parcursul creşterii, aportul de substanţe nutritive din mediu satisface din ce în ce mai puţin exigenţele metabolice ale celulei iar echilibrul ei chimic se alterează deoarece circulaţia substanţelor prin difuzie în ambele sensuri devine mai dificilă. Din cauza acestor perturbări, atunci când disproporţia dintre suprafaţă şi volum atinge un anumit punct critic, raportul lor adecvat se restabileşte prin diviziunea celulei. Astfel, diviziunea celulară este prin ea însăşi o formă necesară de reglare a activităţii celulei bacteriene. 3.3.2.4.2. Multiplicarea bacteriilor Spre deosebire de organismele pluricelulare, la care multiplicarea celulelor duce la mărirea taliei individului, la bacterii şi la toate celelalte organisme unicelulare, ea are ca rezultat creşterea numărului de indivizi şi implicit a populaţiei respective. Majoritatea speciilor bacteriene se multiplică prin diviziune directă (diviziune simplă, sciziparitate) iar un număr redus de grupuri taxonomice se poate multiplica pe alte căi: prin corpi elementari, ramificare, înmugurire, spori. Multiplicarea prin diviziune directă constă în scindarea unei celule bacteriene care a atins punctul critic de creştere în două celule-fiice, cel mai frecvent identice. La bacteriile de formă alungită (bacili, spirochete), diviziunea se face transversal după un plan perpendicular pe marele ax al celulei, în centrul acesteia şi rareori excentric. La coci, diviziunea se poate realiza după unul, două sau trei planuri perpendiculare succesive. In urma diviziunii, celulele rezultate se pot separa sau, la numeroase specii, pot să rămână unite una sau mai multe generaţii realizând grupări caracteristice cu valoare taxonomică. 48

Diviziunea celulei bacteriene este precedată şi iniţiată de replicarea semiconservativă a AND-ului cromozomial, în momentul în care corpii nucleari nou formaţi sunt disponibili pentru segregare, astfel încât cele două celule –surori să fie înzestrate cu o copie exactă a genomului celulei parentale Multiplicarea prin corpi elementari a fost descrisă la chlamidii, la care, pe lângă diviziunea directă, există posibilitatea desfăşurării unui ciclu vital. Punctul de plecare al acestui ciclu este reprezentat de structuri mici corpusculare, electronoopace, cu un diametru de aproximativ de 0,2 – 0,5 micrometri, numite corpi elementari. In celula gazdă, fiecare corp elementar creşte transformându-se în corp iniţial sau reticulat, ajungând la 0,8 – 1,5 micrometri. In continuare, corpii reticulaţi se multiplică prin diviziune iar celulele-fiice se reorganizează în sensul transformării lor în corpi elementari. Multiplicarea prin ramificare, înmugurire şi spori - proprie ciupercilor microscopice ( miceţi filamentoşi şi levuri ) – este întâlnită doar la actinomicete şi unele bacterii fotosintetizante. 3.3.2.4.2.1 Dinamica multiplicării bacteriilor Deoarece examinarea directă a bacteriilor în diferite medii naturale este foarte dificilă, se cunosc puţine date referitoare la multiplicarea populaţiilor bacteriene în natură (Z a r n e a, 1994). Cultivarea bacteriilor în laborator a permis însă un studiu detaliat al dinamicii procesului de multiplicare în condiţii experimentale şi al relaţiilor dintre multiplicare şi factorii de mediu. S-a constatat astfel că o cultură bacteriană prezintă în cursul existenţei sale patru faze, distincte prin viteza de multiplicare a germenilor şi prin numărul de celule vii pe unitatea de volum. Aceste faze sunt: faza iniţială de adaptare ,de latenţă sau de lag1, faza de multiplicare exponenţială sau logaritmică, faza staţionară şi faza de declin. Multiplicarea în mediile lichide Faza de latenţă este cuprinsă între momentul introducerii celulelor bacteriene în mediu, prin însămânţare sau transplantare şi momentul când ele încep să se multiplice (în medie, 2 ore), perioadă în care cultura nu este vizibilă macroscopic. Faza de multiplicare exponenţială sau logaritmică se caracterizează prin multiplicarea celulelor bacteriene, la debut cu o viteză progresiv mărită, apoi într-un ritm constant şi caracteristic pentru fiecare specie bacterian. La majoritatea bacteriilor patogene, în condiţii optime , diviziunile se succed la intervale de 20-30 de minute, timp care reprezintă vârsta unei generaţii şi care este urmat de dublarea populaţiei bacteriene. Durata fazei de multiplicare logaritmică este în medie de 6-24 de ore. Faza staţionară urmează unei scurte perioade (aproximativ 2 ore) în care multiplicarea nu se mai produce în progresie geometrică ci într-un ritm care scade progresiv. Incetinirea multiplicării este determinată de modificarea mediului de cultură (scăderea concentraţiei nutrienţilor, acumularea metaboliţilor toxici în concentraţii inhibitorii, reducerea conţinutului în oxigen, etc.), dar mai ales de realizarea unei concentraţii maxime de celule bacteriene pe unitatea de volum (3×107 - 3×109 pe ml). O dovadă a faptului că principala cauză este o problemă de spaţiu, o constituie multiplicarea de înlocuire care caracterizează această perioadă, în care rata de creştere a populaţiei bacteriene este nulă. Practic, diviziunile continuă numai în limita disponibilităţilor de spaţiu create prin moartea unor celule. 1

(engl. to lag =a întârzia, a rămâne în urmă) 49

Această fază durează de la câteva ore până la 7-8 zile, în funcţie de specie. Faza de declin se caracterizează prin absenţa diviziunilor şi moartea logaritmică a celulelor bacteriene până la sterilizarea mediului. Cauzele care duc la moartea bacteriilor sunt multiple şi sunt legate în special de epuizarea substanţe nutritive, diminuarea rezervelor respiratorii şi acţiunea toxică exercitată de cataboliţii acumulaţi în mediu. Uneori un număr mic de bacterii poate supravieţui câteva săptămâni sau luni pe seama substanţelor nutritive eliberate prin autoliza celulelor moarte. Fenomenul este cunoscut sub denumirile de reluarea creşterii, creştere criptică sau canibalism. S-a estimat că pentru un supravieţuitor sunt necesare substanţele provenite de la aproximativ 50 de celule moarte (G r e c i a n u A., 1986). In faza de declin, bacteriile prezintă un polimorfism accentuat determinat de prezenţa celulelor îmbătrânite, cu forme atipice (celule sferice, mici sau gigante, deformate, filamentoase, ramificate, etc.) şi cu afinitate tinctorială scăzută. Evitarea erorilor generate de aceste modificări reclamă efectuarea examenelor pentru încadrarea taxonomică, testarea patogenităţii, testarea sensibilităţii bacteriilor ş.a., numai pe culturi în faza exponenţială. Multiplicarea bacteriilor pe mediile solide Particularităţile multiplicării pe mediile solide se datorează în primul rând absenţei mişcărilor browniene care asigură dispersarea bacteriilor în masa mediilor lichide şi accesul nediscriminatoriu al celulelor la resursele nutritive. Prin urmare, atât pe suprafaţa cât şi în profunzimea mediilor solide, în urma multiplicării rezultă aglomerări de milioane de bacterii care, în funcţie de abundenţa inoculului şi activitatea aparatului ciliar, pot îmbrăca macroscopic două forme : colonia izolată şi gazonul bacterian (fig.24).

Fig. 24 Culturi bacteriene pe agar (mediu uzual ): colonii bacteriene (stânga); gazon bacterian (dreapta). Colonia reprezintă o masă compactă de celule rezultate, de regulă, din multiplicarea unei singure celule bacteriene. După declanşarea fazei logaritmice, diviziunile se distanţează treptat pe măsură ce colonia creşte, deoarece între celulele bacteriene care o compun se creează diferenţe privind posibilităţile de acces la substanţele nutritive din mediu sau la oxigen (în cazul speciilor aerobe) în funcţie de poziţia lor: limitrofă mediului sau în centrul coloniei. Celulele de la periferia coloniilor, deoarece beneficiază de un aport optim de oxigen şi de nutrienţi, se multiplică activ în timp ce bacteriile din centrul coloniei pot fi moarte. Dezvoltare unei colonii bacteriene este condiţionată nu numai de interacţiunile celulelor individuale ci şi de influenţa coloniilor vecine; cu cât coloniile sunt mai numeroase şi mai dese, cu atât sunt mai mici, din cauză că se

50

jenează reciproc prin eliminarea de metaboliţi toxici şi prin diminuarea concentraţiei nutrienţilor. Gazonul reprezintă cultura care rezultă prin confluarea coloniilor în cazul unui inocul abundent, sau prin invazia mediului de către bacteriile ciliate peritrich,- fenomen numit roire sau căţărare. AUTOEVALUARE 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Care sunt formele de existenţă a bacteriilor în natură? Ce semnificaţie are conceptul de specie bacteriană? Ce forme pot avea bacteriile şi cum se grupeză celulele bacteriene la unele specii? Între ce limite variază dimensiunile celulelor bacteriene? Care sunt părţile componente ale celulei bacteriene? Care sunt structura şi funcţiile membranei citoplasmatice? Ce elemente morfochimice ale peretelui celular condiţionează modul de colorare a bacteriilor prin metodele Gram şI Ziehl-Neelsen? 8. Care este semnificaţia biologică (rolul) peretelui celular? 9. Ce rol îndeplineşte capsula bacteriană ? 10. Ce structuri conţine citoplasma celulei bacteriene şi care este rolul lor? 11. Din ce se compune materialul genetic al bacteriilor? 12. Ce sunt cilii (flagelii) bacterieni şi ce rol îndeplinesc? 13. Ce sunt pilii bacterieni, de câte feluri sunt şi care este semnificaţia lor biologică? 14. Câte tipuri de bacterii există în raport cu sursa de energie şi de carbon pe care le utilizează? 15. În ce constau catabolismul, respiraţia şi anabolismul la bacterii? 16. Pe ce cale se multiplică majoritatea speciilor bacteriene? 17. Care sunt fazele multiplicării bacteriilor în mediile de cultură şi particularităţile generate de starea de agregare a mediului (lichidă, solidă)? 18. Care sunt mecanismele patogenităţii la bacterii? BIBLIOGRAFIE Buiuc D., Neguţ M., 1999 – Tratat de microbiologie clinică. Editura Medicală. Carp-Cărare M., 1991 – Microbiologie. Curs. Institutul Agronomic ,,Ion Ionescu de la Brad” Iaşi. Duca Eugenia, 1974 – Microbiologie medicală. Ed. Didactică şi Pedagogică. Bucureşti. Ivanof A., Ciupe M., Saşcă C., Vancea Doina, 1982 – Microbiologie. Editura Didactică şi Pedagogică. Bucureşti. Măzăreanu C., 1999, - Microbiologie generală. Editura Alma Mater. Bacău. Raicu P., Stoian V., 1989 – Gene şi cromozomi. Editura ştiinţifică şi enciclopedică. Bucureşti. Stamatin N., 1965 – Microbiologie şi imunologie veterinară. Editura Didactică şi Pedagogică. Bucureşti. Zarnea G., 1983 – Tratat de microbiologie generală. Vol.I. Editura Academiei Republicii Socialiste România. Zarnea G., 1984 – Tratat de microbiologie generală. Vol.II. Editura Academiei Republicii Socialiste România. Zarnea G., 1986 – Tratat de microbiologie generală. Vol.III. Editura Academiei Republicii Socialiste România. Zarnea G., 1994 – Tratat de microbiologie generală. Vol. V. Editura Academiei Române.

51