C III - Cresterea Si Multiplicarea Bacteriilor [PDF]

Zitiervorschau

Cresterea si multiplicarea bacteriilor Cresterea bacteriilor - reprezintă mărirea coordonată a tuturor constituenţilor celulari; - e rezultatul sintezei specifice si echilibrate a unor compusi de bază, asamblaţi ulterior pentru a forma cópii fidele ale constituenţilor celulari;u - specificitatea cresterii este determinată de intervenţia unor mecanisme de control genetic; - depinde de natura si concentraţia substanţelor nutritive din mediu, precum si de aprovizionarea continuă a celulei cu energia necesară reacţiilor de sinteză; - mărirea masei totale a celulei bacteriene nu reflectă întotdeauna cresterea normală a celulei, deoarece ea poate rezulta prin sinteza si acumularea de substanţe de rezervă (care nu sunt specifice cresterii) sau prin sporirea accentuată a conţinutului în apă. - se realizează prin adăugarea de constituenţi noi (uni-, bi- sau tridimensional) la peretele celular rigid, care are loc în moduri diferite: - polar; - bipolar; - ecuatorial, în zona septului de diviziune; - intercalar, prin intususcepţiune, în zone specifice de crestere; - prin depunere pe suprafaţa internă a peretelui celular. De obicei cresterea bacteriilor cilindrice se face în sensul axului longitudinal, iar celulele sferice cresc în sensul celor trei dimensiuni.

Cresterea bacteriilor nu se face la infinit, ci până la un moment critic, în care cresterea este întreruptă si se declansează diviziunea celulară. Se admite ipoteza că activitatea normală a celulei bacteriene este urmarea unui raport echilibrat între volumul celulei bacteriene (care reflectă masa celulară ce consumă nutrienţii si produce cataboliţii) si suprafaţa celulei (aria prin care se realizează schimburile cu mediul extracelular, care constau în absorbţia nutrienţilor si eliminarea unor produsi de catabolism). În cursul cresterii celulei, acest raport se modifică în sensul diminuării suprafeţei (care creste cu o rată pătratică, în timp ce volumul creste cu o rată cubică), astfel încât aportul de substanţe nutritive devine insuficient si inadecvat necesităţilor metabolice ale celulei. Diviziunea celulară restabileste raportul echilibrat între suprafaţa si volumul celulei bacteriene.

Multiplicarea bacteriilor Diviziunea directă (izomorfă) - forma cea mai răspândită si cea mai bine cunoscută de multiplicare a bacteriilor; constă în scindarea celulei mamă, ajunsă la punctul critic de crestere, în două celule fiice surori, cel mai adesea identice; - la bacteriile cilindrice si spiralate diviziunea se face în plan transversal, perpendicular pe axul longitudinal al celulei, si numai excepţional, la unii spirili, se realizează după un plan longitudinal; cocii se divid după unul, două sau trei planuri, perpendiculare unul pe celălalt, făcând posibilă gruparea celulelor în diplococi, tetradă, sarcină; - În general, diviziunea evoluează în trei etape distincte: - formarea unei membrane ce separă protoplastii ce vor forma celulele fiice; - sinteza peretelui celular pe suprafaţa membranei respective sau formarea unui sept transversal prin cresterea spre interior a peretelui celular periferic; - separarea celulelor rezultate în urma diviziunii.

Dinamica procesului de multiplicare bacteriană în culturi Culturile bacteriene sunt de două tipuri: continue si discontinue. - Culturile continue - mediul de cultură este reînnoit permanent cu o anumită rată, o parte din masa bacteriană formată fiind îndepărtată în acelasi timp din cultură, cu aceeasi rată; se realizează în aparate speciale, asigură o concentraţie constantă de celule în cultură (după principiul turbidostatului) si o concentraţie constantă a substanţelor chimice din mediu (după principiul chemostatului); - Culturile discontinue - obţinute într-un mediu de cultură neînnoit, în vase închise, se pot realiza în două variante: - culturi sincrone - în care majoritatea bacteriilor se multiplică în acelasi timp - culturi asincrone - în care bacteriile se multiplică în momente diferite. Culturile obţinute în laborator în mod curent sunt culturi discontinue asincrone, cu următoarele particularităţi: - mediul de cultură nu este reînnoit pe timpul cultivării, fiind în volum fix pe întreaga durată a obţinerii culturii; - compoziţia chimică a mediului se schimbă pe parcursul formării culturii (substanţele nutritive sunt consumate, se acumulează produsi de catabolism, se modifică pH-ul); - numărul de celule viabile este variabil, la început crescând progresiv, ulterior scăzând datorită îmbătrânirii si morţii celulelor; - ritmul de diviziune este inegal, la început, când populaţia bacteriană este tânără si condiţiile de mediu sunt optime, fiind mai mare, ulterior scăzând; - vârsta celulelor bacteriene este diferită; - numărul de generaţii este limitat, datorită condiţiilor de mediu fixe. Faze succesive:

- faza de lag (de latenţă, de crestere bacteriană 0) - între momentul iniţierii culturii si începerea multiplicării bacteriene; (to lag (engl.) = a întârzia); numărul celulelor bacteriene din inoculul iniţial rămâne relativ neschimbat; fază activă, în care celulele se pregătesc pentru multiplicarea ce va urma (îsi refac structurile si sistemele enzimatice necesare, cresc în dimensiuni, prezintă un metabolism intens); are o durată diferită în funcţie de vârsta inoculului folosit: - dacă inoculul provine dintr-o cultură tânără, faza de latenţă este scurtă; - dacă inoculul provine dintr-o cultură mai veche sau aflată în condiţii de mediu total diferite de mediul cel nou, faza de latenţă este de mai lungă durată, celulele fiind într-o fază activă de adaptare la noile condiţii de cultivare. - faza de accelerare - iniţierea multiplicării bacteriene într-un ritm progresiv, care determină si numele fazei; - faza de crestere logaritmică (exponenţială) - multiplicarea se realizează cu un ritm constant si maxim, populaţia bacteriană practic dublându-se la fiecare diviziune; celulele au dimensiuni uniforme, mai mari decât ale celulelor normale, caracteristice speciei, cu citoplasmă omogenă, bogată în ARN, cu sinteze proteice intense, fără materiale de rezervă – celule bacteriene tinere, potrivite pentru cercetarea de laborator; - faza de încetinire - ritmul de multiplicare este încetinit, datorită condiţiilor de mediu, unul dintre factorii nutritivi esenţiali din mediul de cultură devine limitant, fiind epuizat treptat; - faza staţionară a cresterii - număr de celule viabile maxim si constant pentru o perioadă de timp, care depinde de specia bacteriană; în timp ce unele celule bacteriene mor, dispariţia lor este compensată de multiplicarea lentă a altor celule, astfel încât, în ansamblu, numărul de celule viabile este acelasi; celule bacteriene mature, cu morfologie considerată normală, tipică unei specii date, folosite pentru coloraţii; spre sfârsitul fazei staţionare încep să apară primele incluzii bacteriene, vacuole si chiar spori; - faza de început al declinului - numărul celulelor viabile începe să scadă ca rezultat al morţii unora dintre celule; ulterior scade si densitatea celulară, deoarece intervin procese de autoliză, produse de enzime proteolitice endogene; - faza de declin si moarte celulară - se intensifică reducerea numărului de celule viabile si fenomenele de autoliză bacteriană; este foarte variabilă ca durată, de la 24 – 48 ore până la săptămâni si chiar luni de zile; celulele bacteriene au o morfologie alterată, apar forme filamentoase, spiralate, ramificate, necaracteristice speciei, cu afinitate pentru coloranţii acizi, conţin substanţe de rezervă, se întâlnesc mulţi spori.

Diviziunea directă (izomorfă) Viteza de multiplicare a celulelor bacteriene se măsoară prin durata unei generaţii si se numeste timp de generaţie - intervalul de timp scurs între două diviziuni succesive. În general, acest timp este mai mic la bacterii decât la macroorganisme, unele bacterii se multiplică foarte rapid (Bacillus subtilis: 9-10 minute), altele mai puţin rapid (Lactobacillus: 100 minute), iar altele foarte lent (Mycobacterium tuberculosis: 1600 minute). Desi au un potenţial imens de multiplicare, bacteriile nu si-l realizează în practică, întrucât intervin factori de mediu nefavorabili, ce limitează acumularea unui număr imens de celule bacteriene Un coc cu o greutate de 5x10-13 g, cu un timp de generaţie de 20 minute, poate determina după 132 de diviziuni formarea unei mase celulare cu greutatea de 6x1027g.

Multiplicarea prin înmugurire - modalitate particulară de reproducere, care constă în separarea a două celule asimetrice, ca rezultat al formării de către celula mamă a unei protuberanţe locale mai mici decât ea; - aceasta creează un spaţiu nou, în care vor migra constituenţii noii celule sau în care constituenţii vor fi sintetizaţi de novo; - bacteriile care înmuguresc prezintă o mare diversitate taxonomică si sunt mai puţin cunoscute; cele mai studiate aparţin genurilor de bacterii prostecate: Rhodomicrobium, Rhodopseudomona etc., dar si genurilor de bacterii care nu sunt prostecate: Nitrobacter, Pasteuria etc.

Multiplicarea prin fragmentare - Formă de reproducere vegetativă, observată la multe actinomicete, cum sunt cele din genul Nocardia, Actinomyces. - În prima parte a ciclului celular are loc o crestere activă a masei celulare, sub forma unui miceliu, fără cresterea numărului de celule viabile. - Ulterior, în faza staţionară a cresterii, miceliul e supus unei fragmentări multiple, cu formarea unor septuri transversale; - Urmează eliberarea unor celule cilindrice, scurte, egale, cu extremităţile tăiate drept si care vor începe să crească si să dea nastere unui miceliu.

Multiplicarea prin spori - Actinomicetele care au un miceliu nesegmentat se reproduc de obicei prin formare de exospori (spori de dispersare, de propagare). - Fenomenul a fost mai bine studiat la Streptomyces coelicolor. - Sporii sunt de tip asexuat, dispusi de regulă pe hifele aeriene, în lanţuri de diferite lungimi, sau în vezicule sporale numite sporangi.

PARTICULARITĂȚI ALE METABOLISMULUI BACTERIAN Metabolismul = totalitatea reacţiilor biochimice prin intermediul cărora microorganismele preiau din mediu energie si nutrienţi, pe care îi folosesc în activităţile lor fundamentale. Substanţele pot fi folosite ca atare sau sub o formă mai mult sau mai puţin complexă. Caracteristic pentru metabolismul bacterian este reglarea lui perfectă, supusă legii economiei si optimalităţii. Aceste principii asigură desfăsurarea perfect reglată, corelată a activităţii celulare, astfel încât beneficiul pentru celula bacteriană să fie maxim. Substanţele din mediu sunt folosite în 4 scopuri fundamentale: - producerea de energie; - sinteza de constituenţi celulari;

- cresterea celulei si desfăsurarea normală a activităţilor ei fiziologice; - producerea de metaboliţi. Sunt două direcţii fundamentale de evoluţie a căilor metabolice: - degradarea substanţelor nutritive preluate din mediu, cu eliberare treptată de energie (deoarece o eliberare bruscă de energie este dăunătoare celulei bacteriene, ducând la distrugerea ei); - folosirea energiei eliberate în procesele de biosinteză a constituenţilor celulari (cale diametral opusă celei dintâi); excesul de energie se acumulează în legăturile macroergice ale moleculelor de ATP, ce reprezintă “acumulatorul universal de energie”.

Tipuri de căi metabolice: Căile catabolice - ansamblul căilor biochimice prin care se realizează degradarea nutrienţilor preluaţi din mediu, cu eliberare de energie, în 3 faze: - macromoleculele nutrienţilor sunt degradate până la subunităţile lor de construcţie cu eliberarea aproximativ a 1% din energia nutrienţilor, care se pierde sub formă de căldură; - moleculele rezultate în prima fază sunt degradate în continuare, cu formarea unui număr limitat de molecule mai mici, ce reprezintă compusi intermediari ai căii centrale; se eliberează aproximativ 1/3din energia existentă în compusii respectivi; - în aerobioză reacţiile evoluează cu metabolizarea completă a compusilor intermediari până la CO2 si H2O, cu eliberare masivă de energie, care este apoi înmagazinată în ATP; în anaerobioză reacţiile evoluează după modelul reacţiilor fermentative, caz în care eliberarea de energie este redusă. Căile anabolice - utilizarea compusilor intermediari ai căii centrale pentru sinteza de constituenţi proprii celulei bacteriene, proces care evoluează în faze succesive; - se sintetizează macromolecule de depozit, adică polimeri uniformi, formaţi prin legarea unor monomeri în lanţuri de diferite dimensiuni. Căile amfibolice - căile metabolice centrale, care îndeplinesc în acelasi timp două funcţii: de eliberare de energie si de furnizare a unor precursori necesari biosintezei. Căile catabolice si cele anabolice se desfăsoară simultan în celula bacteriană. Caracterul amfibolic este reprezentat de faptul că la anumite niveluri energia eliberată este utilizată la biosinteze, iar la alte niveluri intermediare se menţine calea catabolică ce duce la degradarea compusilor intermediari. Căile anaplerotice (căi auxiliare sau de reaprovizionare) – compusii intermediari ai căilor centrale sunt în permanenţă îndepărtaţi din celulă, pe de o parte în cursul degradării progresive enzimatice, cu eliberare de energie, în catabolism, iar pe de altă parte prin utilizarea lor în diferite biosinteze ce au loc în celulă. Pentru buna funcţionare a acestor căi metabolice este necesară o reaprovizionare permanentă cu intermediarii respectivi. În urma epuizării materialului de la care s-a pornit, calea metabolică este frecvent reaprovizionată cu diferite substanţe provenite din alte căi metabolice, catalizate enzimatic, ce se desfăsoară simultan în celula bacteriană. Căile metabolice auxiliare asigură astfel completarea deficitului căilor metabolice principale, prin aprovizionarea cu diversi compusi si permit funcţionarea îndelungată a acestora.

Natura si diversitatea nutrienţilor folosiţi în metabolismul bacterian Microorganismele prezintă o capacitate unică de degradare a unor substanţe complexe din mediu si de a sintetiza anumiţi metaboliţi. Luate ca grup, bacteriile sunt cele mai omnivore organisme din natură, pot realiza metabolismul folosind numeroase si diverse surse de substanţe nutritive, începând cu azotul molecular si sulful, până la cele mai complexe substanţe organice. Aceste particularităţi explică faptul că, desi în natură au fost depuse numeroase produse de uzură si de excreţie, cadavre, reziduuri, acestea nu s-au acumulat, pentru că au fost descompuse de către microorganisme si reintroduse în circuitul elementelor biogene. În acelasi timp, există unele microorganisme care pot utiliza doar un număr limitat de nutrienţi (unele bacterii patogene au nevoie de sânge în mediul de cultură).

Plasticitatea metabolismului microorganismelor Bacteriile au capacitatea de a folosi alternativ diferite surse de azot si de carbon, în funcţie de condiţiile de mediu, se adaptează la tipul si cantitatea de nutrienţi existenţi în mediu.

Diversitatea mecanismelor enzimatice si a produsilor de metabolism Diversitatea căilor metabolice se manifestă în metabolismul bacterian prin existenţa unor căi alternative care pot fi folosite pentru un anumit compus. În funcţie de condiţiile de mediu si cele intracelulare, celula bacteriană poate opta pentru una dintre căile prin care un anumit substrat poate fi degradat (de exemplu glucoza poate fi degradată prin trei căi metabolice diferite).

Intensitatea deosebită a metabolismului bacterian Metabolismul bacterian se caracterizează printr-o intensitate excepţională în raport cu activităţile omoloage de la organismele superioare.

Transportul substanțelor prin membrana celulei bacteriene - difuzia pasivă - tip de transport nespecific, o trecere lentă a substanţelor de la exteriorul la interiorul celulei bacteriene si invers, fără consum de energie. Trecerea este determinată de concentraţie, se realizează de la o concentraţie mare la o concentraţie mică; difuzia se opreste când concentraţia se egalizează. Prin difuzie pasivă sunt transportate: apa, O2, CO2, acizii grasi, substanţele liposolubile. - mecanisme de transport cu participarea unui transportor specific (carrier) – o proteină cu rolul de a fixa o anumită substanţă si de a o transporta, traversând membrana plasmatică: - difuzia facilitată - fără consum de energie, determinată de gradientul de concentraţie, se realizează cu ajutorul unei proteine carrier. Trecerea se realizează de la o concentraţie mare la una mică, până la echilibrarea concentraţiilor de o parte si de cealaltă a membranei. Proteina transportor măreste viteza de difuzie a substanţei în raport cu difuzia pasivă; - transportul activ - se realizează cu consum de energie, împotriva gradientului de concentraţie, de la concentraţie mică la concentraţie mare; se produce o acumulare de substanţă în celula bacteriană, care poate depăsi de câteva mii de ori cantitatea din mediul extern; - translocarea în grup - se realizează cu consum de energie; substanţa transportată suferă o modificare chimică la trecerea prin membrană, astfel că cea din interiorul celulei diferă de cea iniţială din mediu.

Tipuri de respirație microbiană După comportarea faţă de oxigenul atmosferic, se pot descrie 4 tipuri de microorganisme: - microorganisme strict aerobe, au ca tip de respiraţie celulară respiraţia aerobă; pentru a se dezvolta, aceste microorganisme au nevoie de oxigen molecular, folosindu-l ca acceptor final de electroni; Ex.: Mycobacterium tuberculosis - microorganisme strict anaerobe, nu se pot dezvolta în prezenţa oxigenului; ele au nevoie de condiţii de anaerobioză si ca tip de respiraţie celulară au fermentaţia sau respiraţia anaerobă; Ex.: Clostridium tetani - microorganisme anaerobe, facultativ aerobe, au în general un metabolism de tip anaerob, dar pot trăi si în prezenţa oxigenului molecular, caz în care prezintă un metabolism aerob; tipul de respiraţie celulară este diferit, în funcţie de prezenţa sau absenţa oxigenului (respiraţie anaerobă sau aerobă); Ex.: Escherichia coli, Streptoccoccus sp., Staphylococcus sp. - icroorganisme microaerofile, au nevoie de o cantitate de oxigen mai mică decât în atmosferă pentru a se dezvolta, concentraţiile mari de oxigen fiind nocive pentru ele; tipul de respiraţie celulară este o respiraţie cu tendinţă spre fermentaţie. Ex.: Leptospira sp., Spirochaeta sp.

Tipuri de nutriție la microorganisme Criteriile după care se poate caracteriza nutriţia microorganismelor sunt: - natura sursei de carbon si azot si capacitatea de sinteză a metaboliţilor esenţiali, în funcţie de care microorganismele pot avea nutriţie: - autotrofă

- heterotrofă - sursa de energie, în funcţie de care microorganismele pot avea nutriţie: - fototrofă - chemotrofă. Autotrofia - capacitatea de sinteză a tuturor metaboliţilor esenţiali pornind de la substanţe anorganice simple ca sursă de carbon si azot (CO2, NH3, NO3-, NO2-). Heterotrofia - capacitatea de a sintetiza metaboliţi esenţiali pornind de la substanţe organice preformate, care joacă rol de sursă de carbon si azot. Fototrofia - capacitatea de a sintetiza metaboliţii esenţiali cu ajutorul energiei luminoase; după natura donatorilor de protoni sau electroni, microorganismele fototrofe se împart în: - microorganisme fotolitotrofe – care folosesc ca donor de protoni sau electroni substanţe anorganice oxidabile (H2O, H2S, S, H2); se numesc si fotoautotrofe; - microorganisme fotoorganotrofe – care folosesc ca donor de protoni sau electroni substanţe organice oxidabile; se numesc si fotoheterotrofe; Chemotrofia - capacitatea de a sintetiza metaboliţii esenţiali cu ajutorul energiei chimice înmagazinată în legăturile chimice ale substanţelor. Microorganismele chemotrofe se numesc si chemosintetizante. După natura donatorilor de protoni sau electroni, microorganismele chemotrofe se împart în: - microorganisme chemolitotrofe – care folosesc ca donor de protoni sau electroni substanţe anorganice oxidabile; se numesc si chemoautotrofe; - microorganisme chemoorganotrofe – care folosesc ca donor de protoni sau electroni substanţe organice oxidabile; se numesc si chemoheterotrofe.