3. Metabolismul Bacterian

METABOLISMUL BACTERIAN

Metabolismul bacterian

• Înţelegera creşterii şi multiplicării bacteriilor, a metabolismului bacterian este esenţială pentru înţelegerea funţionării bacteriilor, a dinamicii lor şi de asemenea pentru tratamentul infecţiilor bacteriene.

• La bacterii se întâlnesc sub forme asemănătoare sau identice principalele căi metabolice şi cicluri de la celulele eukariote. Multe din reacţiile biochimice privind metabolismul celular au fost descrise iniţial la bacterii.

• Celulele umane prezintă variaţii mici în ceea ce priveşte caracteristicile metabolice sau activităţile biochimice. Bacteriile trăiesc în condiţii foarte variate, şi ele diferă considerabil în capacitatea lor de a ocupa nişe ecologice.

Caracteristicile metabolismului bacterian

• este un metabolism unicelular• este un metabolism necompartimentat

(pentru că lipsesc organitele celulare)• este un metabolism teleonomic – în cursul

evoluţiei unei specii bacteriene au fost selectate acele căi metabolice şi mecanisme de reglare care să asigure eficienţa maximă a procesului metabolic.

• bacteriile au o mare flexibilitate metabolică, prin care acestea se adaptează la condiţiile variate de mediu.

• .

Caracteristicile metabolismului bacterian

• este un metabolism de mare intensitate, care are drept rezultat multiplicarea rapidă a celulelor bacteriene. Tg mediu=20 min.

• în complexitatea metabolică a lumii bacteriene, se vorbeşte despre un metabolism cu restricţie genetică, determinat de cantitatea de informatie asigurată de cromozomul bacterian (molecula de ADN), în care se găsesc numeroase gene care codifică mai multe tipuri de molecule de proteine (aprox. 3000), din care aprox. 2000 sunt proteine-enzime codificate în ADN-ul cromozomial.

Metabolismul bacterian

• În funcţie de condiţiile de mediu, se remarcă o diversitate metabolică legată de: – temperatură, – oxigen, – pH, – osmolaritate şi – substanţe nutritive.

a) Temperatura

• Temperatura optimă este acea temperatură la care rata de creştere este maximală.

• Temperatura minimă de creştere – sub această valoare, creşterea nu mai are loc.

• Temperatura maximă de creştere – cauzează denaturarea termică a proteinelor şi posibil şi a membranelor.

a) Temperatura

• 1. Bacterii psychrophile sau cryophile (iubitoare de rece) – temperatura optimă este sub 20°C.

• 2. Bacterii mesophile – ele cresc între 20°C - 45°C, dar temperatura optimă este de 35°C - 37°C – majoritatea bacteriilor de importanţă medicală.

• 3. Termophile – temperatura optimă 45°C – 60°C• 4. Stenotermophile – cel mai bine cresc la

aproximativ 60°C.• 3 şi 4 sunt bacterii care cresc in izvoarele calde sau

alte medii cu temperatură înaltă. • 4 – au structuri terţiare ale proteinelor stabile la

temperatură.

b) Oxigenul

• Pe baza necesităţilor de oxigen, bacteriile se pot clasifica în bacterii – aerobe, – anaerobe şi – microaerophile.

• Multe bacterii sunt aerobe şi cresc doar în prezenţa oxigenului atmosferic. Deseori aceste bacterii sunt patogeni ai căilor respiratorii sau a mucoaselor, ca de ex. Mycobacterium tuberculosis.

b) Oxigenul• Unele bacterii sunt anaerobe, ceea ce

înseamnăcă ele nu folosesc oxigenul, în timp ce unele sunt strict anaerobe, ceea ce înseamnă că pe acestea oxigenul atmosferic le omoară.

• Majoritatea bacteriilor anaerobe trăiesc în tractul gastrointestinal şi pot cauza abcese profunde (de ex. Bacteroides spp), iar altele sunt prezente în mediul înconjurăror sub formă de spori şi pot cauza boală când sunt introduse intr-un mediu care le asigură anaerobioza (Clostridium spp).

• Ar părea ciudat, dar există anaerobi în cavitatea bucală a omului (Bacteroides, Fusobacterium, streptococi anaerobi – în şanţurile gingivale).

b) Oxigenul

• Facultativ anaerobe, (de ex. Escherichia coli) sunt bacterii capabile să crească atât în condiţii aerobe, cât şi de anaerobioză. Multe din aceste bacterii se găsesc la nivelul tractului digestiv şi pot cauza infecţii ale plăgilor, leziuni ale tractului gastrointestinal, infecţii urinare, etc.

b) Oxigenul

• Bacterii microaerophile au nevoie de oxigen, dar nu pot creşte în aerul atmosferic, ele au nevoie de o presiune mai redusă de oxigen (de ex. Neisseria spp, Campylobacter spp.)

• Majoritatea bolilor infecţioase sunt cauzate de bacterii aerobe sau facultativ anaerobe, dar odată cu îmbunătăţirea tehnicilor microbiologice de cultivare a bacteriilor, implicarea anaerobilor şi a microaerofililor în patologia umană a devenit evidentă. Aceste bacterii necesită medii de cultură şi condiţii de incubare speciale.

c) pH-ul

• pH-ul necesar dezvoltării majorităţii bacteriilor este situat în zona neutralităţii, pH 7.

• Există bacterii care necesită un pH acid pentru dezvoltarea optimă: lactobacilii – bacilii lactici de la nivelul vaginului.

• Vibrio cholerae se dezvoltă bine la un pH de 9,2.

d) Osmolaritatea

• Osmolaritatea - concentraţia în săruri a mediului.

• Majoritatea bacteriilor sunt osmotolerante.

• Cu toate că se dezvoltă mai bine la o concentraţie fiziologică, există şi bacterii care se dezvoltă la concentraţii mari de NaCl, de ex. Staphylococcus la 9 % NaCl.

e) Substanţe nutritive

• În general, bacteriile necesită o sursă de carbon şi azot, o sursă de energie, apă şi diferiţi ioni pentru dezvoltare.

• Cu toate că unele bacterii pot obţine energia direct prin oxidarea ionilor metalici precum fierul, sau alte bacterii (cum sunt algele verzi) sunt capabile de fotosinteză, bacteriile patogene (cu importanţă medicală) obţin energia prin metabolizarea glucidelor, grăsimilor şi a proteinelor.


Principalele tipuri de nutriţie la bacterii sunt:

• în raport cu obţinerea energiei: – bacterii fototrofe, care folosesc energia

din radiaţia luminoasă, bacteriile fotosintetice;

– bacterii chimiotrofe: folosesc energia prin oxidarea chimică a diferitelor substrate (organice sau anorganice, majoritatea bacteriilor cu importanţă medicală)


În raport cu sursa de carbon, bacteriile se clasifică:

• bacterii autotrofe: capabile să se dezvolte pe medii alcătuite numai din substanţe anorganice, care utilizează de obicei CO2 dizolvat în mediu ca sursă de carbon.

• bacterii mixotrofe, pot folosi atât substanţe organice cât şi CO2 din substanţe anorganice

• bacterii heterotrofe, folosesc ca sursă de carbon substanţele organice, ele sunt bacteriile cu imporanţă medicală.

• bacterii paratrofe, care nu se dezvolta decat pe celule vii (Ricketsii si Chlamydii)

e) Substanţe nutritive• Unele bacterii, precum E. coli, pot creşte

pe medii de cultură simple, care conţin doar săruri, clorură de amoniu şi glicerol.

• Alte bacterii sunt extrem de pretenţioase şi au un necesar nutritiv complicat.

• Mai mult decât atât, Treponema palllidum are un necesar de creştere atât de complex, încât încă nu s-a reuşit obţinerea unui mediu de cultură sintetic, care să-i permită dezvoltarea.

e) Substanţe nutritive• Bacterii cu dezvoltare strict intracelulară

(Chlamydiae şi Rickettsiae) nu au crescut niciodată pe medii de cultură sintetice, şi ele se cultivă pe linii celulare eukariote (celule fibroblastice de şoarece sau celule de embrion de găină) sau pe ou embrionat.

• Acest fapt nu înseamnă că ele sunt virusuri (ele sunt de fapt bacterii gram negative), ci le face extrem de greu de lucrat cu ele. Laboratoarele clinice nu au posibilitatea cultivării lor.


• Importanţa medicală a cunoaşterii proprietăţilor metabolice ale bacteriilor sunt în principal legate de cunoaşterea necesităţilor nutritive ale bacteriilor patogene, în vederea izolării acestora din produsele patologice ale bolnavului cu scopul de ale identifica, de a le cunoaşte proprietăţile patogenice şi cu scopul de a determina gradul lor de sensibilitate la antibiotice

METABOLISMUL BIOENERGETIC

• La bacterii, ca şi la alte organisme vii se produc procese de anabolism şi catabolism.

• Procesele de oxidoreducere sunt principalele mecanisme prin care bacteriile îşi procură energia mai ales din substanţe organice, în urma cedării de electroni de către un substrat donator, unuia acceptor, care va fi redus.

• Donarea de electroni este însoţită de eliberare de hidrogen, reacţie de dehidrogenare.

• Substanţele care acceptă şi donează elecronii sunt legate de membrana celulară.


• În raport cu eliberarea de energie, cu substratul donator şi acceptorul final de electroni se disting următoarele trei tipuri de respiraţie – Respiraţie oxibiotică, aerobă, – Respiraţia anaerobă – Fermentaţia


• Respiraţie oxibiotică, aerobă;– donatorul de electroni este o substanţă

organică, iar – acceptorul final este oxigenul,– transferul are loc prin lanţul respirator, cu

implicarea citocromilor; se produc 38 de molecule de ATP;

– calea metabolică este • calea Embden-Mayerhof (glicoliza), • şuntul pentozofosfaţilor şi • apoi ciclul acizilor tricarboxilici.


• Respiraţia anaerobă – este întâlnită la bacterii care folosesc drept

donor de electroni substanţe organice,– acceptorul final fiind o substanţă anorganică:

nitriţi, nitraţi, sulfaţi, etc., în care intervine de asemenea lanţul respirator, însă cu alţi cytocromi;

– calea metabolică: • ciclul Embden-Mayerhof şi apoi • CAT; • se produc 16-38 (de obicei mai puţin de 30) molecule

ATP.


• Fermentaţia – procese care se realizează folosind cantităţi mici de oxigen, printr-o oxidare parţială a substratului, donatorul şi acceptorul final de electroni este o substanţă organică.

• În majoritatea cazurilor, fermentaţia are loc în absenţa oxigenului sau în prezenţa, dar fără participarea lui.

CREŞTEREA ŞI MULTIPLICAREA BACTERIILOR

• Bacteriile se multiplică prin sciziparitate sau diviziune binară.

• Prin acest proces, bacteria se alungeşte, îşi dublează volumul şi formează un sept, care împarte bacteria în două segmente egale.

• Când septul este complet, iau naştere două celule fiice identice.

• Astfel, bacteriile se multiplică logaritmic: dintr-o celulă mamă iau naştere două celule fiice, din cele două celule, dau naştere la rândul lor la patru, apoi la opt, şi aşa mai departe.

• Sciziparitatea este un proces asexuat. • Ciclul celular de înmulţire al bacteriilor este controlat

prin replicarea moleculei de ADN, cu care începe diviziunea celulară şi prin care este coordonată sinteza proteică

Curba de creştere bacteriană

• Dacă o cultură bacteriană s-ar dubla o dată la fiecare 20 de minute (majoritatea bacteriilor) şi ar continua să se multiplice neabătut 48 de ore, o bacterie (de ex. Escherishia coli) ar produce 2144 celule bacteriene.

• E. coli este o bacterie relativ mică cu o masă de aproximativ 1 x 10-12 g.

• Astfel, la sfârşitul celor 48 de ore, ar apărea o colonie bacteriană cu greutatea de 2,2 x 10 31 g., adică de 4000 de ori greutatea Terrei.

• Din fericire, creşterea bacteriană este autolimitantă. Chiar şi în condiţii ideale, majoritatea culturilor bacteriene se multiplică logaritmic doar pentru 3 – 5 ore.

• Ele repede îşi consumă nutrienţii esenţiali şi acumulează produşi toxici de metabolism.

• Din acest motiv, curba de creştere a bacteriilor care se multiplică într-un mediu lichid are aspectul curbei din figură

Curba de crestere a bacteriilor

• Fazele creşterii:• 1. Faza de latenţă (Lag);• 2. Faza de multiplicare logaritmică

(Log);• 3. Faza staţionară;• 4. Faza de declin (de moarte celulară

)


• 1. Faza de latenţă (Lag): – Când bacteriile sunt transferate într-un nou

mediu de cultură, este o perioadă iniţială când bacteriile trebuie să se acomodeze la noile condiţii.

– Pot fi modificări de temperatură, nutrienţi disponibili, etc.

– În această fază, bacteriile nu se multiplică, ele îşi programează activitatea metabolică pentru aceste noi condiţii ale mediului de cultură respectiv.


• 2. Faza de multiplicare logaritmică (Log) sau exponenţială: – Odată multiplicarea începută, numărul

bacteriilor sporeşte exponenţial. – Timpul de generare (Tg) este timpul necesar

populaţiei bacteriene pentru a-şi dubla numărul (1 celulă 2 celule). Tg: 20 min. pt E coli, 24 ore pt. My. tuberculosis.

– În această fază celulele bacteriene sunt foarte sensibile la condiţiile de mediu, deci sunt susceptibile şi la antibiotice.


• 3. Faza staţionară. – La un moment dat, mediul de cultură va

rămâne fără substanţele nutritive cheie, şi se vor acumula produşi de metabolism toxici.

– Când aceasta începe, timpul de generaţie se prelungeşte simţitor, iar rata de creştere a bacteriilor se va echilibra cu numărul de bacterii care mor.

– Această fază staţionară alterează mult susceptibilitatea bacteriilor la antibiotice



• 4. Faza de declin (de moarte celulară).– În această fază finală, lipsa substanţelor

nutritive cumulată cu acumularea de produşi toxici de metabolism, duce la moartea celulelor.

Metode de numărare a bacteriilor

• Numeroase tehnici efectuate în laboratorul clinic sau în laboratoarele de cercetare necesită numărarea bacteriilor.

• Există două metode principale de numărare a bacteriilor dintr-o cultură în mediu lichid:– numărarea directă în camere de numărare (celule

vii+ celule moarte)– aprecierea numărului de celule vii prin

însămânţarea unui volum cunoscut de mediu lichid pe mediu de cultură solid, astfel încât să se obţină pe plăci Petri colonii izolate, numărabile;

Documents

3. Metabolismul Bacterian