48347858-Microbiologie

8/3/2019 48347858-Microbiologie

1/69

CURS IINTRODUCERE

Obiectul de studiu al microbiologieiObiectul de studiu al microbiologiei este biologia microorganismelor, mai precis forma,

structura i activitatea fiziologic a acestora.Microorganismele sunt organisme mici, vizibile doar la microscop. Deoarece micros (gr.)

= mic, bios (gr.) = via, logos (gr.) = tiin, termenul de microbiologie ar nsemna tiina despreorganisme cu via scurt, provenind de la cuvntul microb, introdus de Sedillot (1878). Acesttermen se refer n special la microorganismele patogene i, dei frecvent folosit, nu estetiinific.

Noiunea de microorganism nu are semnificaie taxonomic, deoarece reunete un grupfoarte vast, heterogen de organisme diferite ca poziie sistematic, dar care prezint o serie decaractere comune:

- au dimensiuni microscopice, dimensiunile lor se exprim n m (10-6m), iar aleorganitelor lor n nm (10-9m) sau chiar n (10-10m);

- prezint organizare n general unicelular, sub dou forme:o celule de tip procarioto celule de tip eucariot. Chiar dac unele microorganisme formeaz asociaii

pluricelulare, acestea nu prezint difereniere celular pentru a forma esuturi iorgane, iar o celul izolat din aceste asociaii i pstreaz viabilitatea, crete, sedivide i reface asociaia;

- structura lor intern este n general simpl.Heterogenitatea microorganismelor este definit prin alte caracteristici:

- poziia sistematic diferit;- activitatea biologic divers;- morfologia i structura intern a diferitelor grupe de microorganisme sunt de asemenea

diverse.n categoria microorganismelor intr:

- celule procariote:o

Eubacterii (bacterii adevrate)o Cianobacterii (bacterii albastre-verzi)o Actinomicete (bacterii filamentoase, cu organizare de tip micelial)o Arhebacterii (microorganisme foarte asemntoare din punct de vedere

morfologic i structural cu bacteriile adevrate, care se gsesc n medii de viavariate i corespund bacteriilor extremofile)

- celule eucariote:o Fungi microscopici, care includ:

levuri (drojdii) mucegaiuri (fungi filamentoi, cu organizare pluricelular)

o Alge microscopiceo Protozoare.

Microbiologia studiaz i virusurile i entitile moleculare infecioase cu organizaresubviral (viroizii i prionii), dei acestea nu sunt microorganisme i nu au structur celular.

Diviziunile microbiologiei

Diversitatea proceselor fiziologice bacteriene, rolul lor esenial n ecosistemele naturale,capacitatea de a sintetiza substane utile sau dea produce procese infecioase la organismelesuperioare au determinat diversificarea domeniilor de studiu al microorganismelor.


2/69

Clasificarea diferitelor domenii se poate face dup criterii taxonomice (bacteriologie,virologie, algologie, micologie, protozoologie), dup criterii funcionale (fiziologia, biochimia,ecologia, genetica microorganismelor), dup mediul din care provin microorganismele(microbiologia solului, hidromicrobiologia, geomicrobiologia) i dup aplicaiile practice alediferitelor categorii de microorganisme (microbiologie industrial, medical, biotehnologia).

Ecologia microorganismelor studiaz legitile generale de evoluie i interaciune a

microorganismelor n natur, interaciunile dintre microorganisme i interrelaiilemicroorganismelor cu macroorganismele.

Genetica microorganismelor studiaz substratul molecular al ereditii i variabilitiimicroorganismelor i mecanismele de transfer al materialului genetic la bacterii.

Microbiologia solului studiaz ansamblul microorganismelor din sol, rolul lor nfertilitatea solului i n circuitul elementelor biogene n natur, precum i interaciunile dintreaceste microorganisme i plante.

Hidromicrobiologia studiaz microorganismele din mediile acvatice i rolul lor nlanurile trofice.

Geomicrobiologia studiaz n principal microbiologia petrolului, avnd un pronunatcaracter utilitar. Studiaz rolul microorganismelor n geneza petrolului i a zcmintelor minerale, posibilitatea utilizrii acestora n exploatarea, biodegradarea sau recuperarea petrolului i

zcmintelor.Microbiologia insectelor studiaz relaiile dintre microorganisme i artropode, care pot

avea un rol important ca vectori n patologia uman, animal i vegetal.Microbiologia industrial s-a dezvoltat pornind de la descoperirea proceselor

fermentative de ctre Louis Pasteur. Ea studiaz utilizarea diferitelor microorganismeproductoare de substane utile pentru alimentaie, terapeutic sau industrie.

Microbiologia medical studiaz microorganismele patogene pentru om i animale,patogenitatea i virulena acestora, factorii care condiioneaz virulena, modul lor de transmiterei modalitile de combatere.

Microbiologia general este o tiin biologic fundamental, care studiazparticularitile organizrii structurale i funcionale ale celulei bacteriene, biologia i sistematicabacteriilor, rspndirea lor n natur, relaiile lor ecologice cu alte microorganisme sau cu

macroorganismele, originea i evoluia lor, fenomenele de ereditate i variabilitate microbian.Este o tiin de sintez i se bazeaz pe date din domeniile aplicative ale microbiologiei.Cunoaterea principiilor fundamentale ale microbiologiei generale este o necesitate pentru oricebiolog, indiferent de domeniul su de activitate.

Istoricul microbiologieiDescoperirea microorganismelor dateaz din 1676, cnd olandezul Anton van

Leevenhoek a examinat picturi de ap din diferite surse naturale, picturi de saliv, picturi depuroi cu ajutorul unui un aparat optic propriu de mrire a imaginii. Cu ajutorul acestui microscopspecial, care mrea de 270 de ori, el a observat o lume fascinant, ntr-o micare perpetu. ndescrierile sale, printre alte organisme, se recunosc i bacteriile, pe care Leevenhoek le-a denumitanimalcule, considerndu-le nite pui ale animalelor acvatice mai mari. El nu a sesizat noutatea

lumii pe care a vzut-o, de aceea, dei 24 aprilie 1676 este considerat ziua de natere amicrobiologiei, Leevenhoek nu este considerat ntemeietorul microbiologiei ca tiin.

Botanistul Carl Linaeus, n lucrarea sa Systema naturae (1735), grupeaz sistematictoate vieuitoarele cunoscute, introducnd microorganismele n categoria chaos.

ntemeietorul microbiologiei ca tiin este considerat Ferdinand Cohn (1875), cercettorcare a intuit caracterele aparte ale microorganismelor, iar lucrrile lui Louis Pasteur (1822 - 1895)au avut o importan deosebit pentru evoluia acestei tiine.

Pasteur a nfiinat primele laboratoare de cercetare microbiologic i a studiat proceselefermentative. A demonstrat c fermentaiile sunt procese biologice produse de aciunea unor


3/69

microorganisme facultativ anaerobe, fiecare fiind determinat de o categorie specific degermeni. A studiat bolile fermentaiilor, cauzate de contaminarea acestora cu organisme strinecare le deviaz cursul normal i a pus la punct o metod de evitare a contaminrii fermentaiilorcu ageni nedorii (pasteurizarea).

A nlturat concepia generaiei spontanee care data din antichitate, conform creiavieuitoarele ar putea s apar spontan din materie organic. Prin experimentele sale cu baloane

de sticl prevzute cu un tub n form de gt de lebd, a demonstrat c de fapt vieuitoareleaprute spontan erau contaminani din aer i ap.

Pasteur a pus la punct teoria originii microbiene a bolilor infecioase studiindmbolnvirea viermilor de mtase i a deschis era prevenirii bolilor infecioase prin vaccinareaantibacterian i antiviral, practic medical de o importan deosebit, ce a dus la crearea unuidomeniu nou, imunologia.

Medicul german Robert Koch a avut contribuii importante la dezvoltarea domeniuluibacteriologiei, fiind considerat fondatorul acestei ramuri microbiologice. Este cel care a introdusn practica de laborator folosirea mediilor solide pentru cultivarea tulpinilor bacteriene.

A descoperit mai multe specii de bacterii patogene, printre care bacilul tuberculozei ivibrionul holerei.

n urma cercetrilor pe animale de laborator a elaborat principiile generale prin care un

anumit germen poate fi considerat agentul etiologic al unei boli (cele 4 postulate ale lui Koch): 1.Microorganismul trebuie s fie gsit cu regularitate n leziunile bolii respective; 2.Microorganismul trebuie s fie izolat de la gazda infectat i cultivat ntr-o cultur pur; 3.Inocularea culturii pure obinute n laborator la un animal sensibil trebuie s reproduc boala; 4.Microorganismul trebuie s se regseasc din nou cu regularitate la noua gazd n leziunilecaracteristice bolii.

Microbiologul rus Ilia Ilici Mecinikov (1845 - 1916) a studiat digestia intracelular aparticulelor de carmin la echinodermele marine la Institutul Pasteur de ctre celule pe care le-adenumit fagocite i a emis ipoteza c astfel de celule exist i n organismele umane i animale.Prin descrierea fenomenului de fagocitoz a pus bazele teoriei imunitii celulare.

Biologul rus Dimitri Ivanovski (1864 - 1920) a descoperit n 1892 virusul mozaiculuitutunului (VMT), ntemeind tiina numit virusologie. Natura particular a virusurilor a fost

intuit n 1897 de ctre Martinus Willem Beijerinck, microbiolog i botanist olandez, care le-adenumit contagium vivum fluidum.Alexander Fleming a descoperit n 1921 lizozimul i n 1929 penicilina, antibiotic produs

de Penicillium notatum, care a fost ulterior purificat de ctre savanii britanici Florey i Chain(1940). Cei trei cercettori au primit n 1945 Premiul Nobel pentru medicin pentru descoperireaacestui antibiotic.

Winogradski este considerat ntemeietorul microbiologiei solului.La noi n ar, realizri de marc n domeniul microbiologiei au aparinut lui Victor

Babe (1854 - 1926), care a lucrat la Institutul Pasteur din Paris i a fost colaborator al lui RobertKoch. El a studiat numeroase boli (lepra, holera, tuberculoza, turbarea, febra tifoid), descoperindpeste 50 de microbi.

mpreun cu Victor Cornil a scris n 1885 primul tratat de bacteriologie din lume, intitulat

Les bactries et leur rle dans l'anatomie et l'histologie pathologiques des maladiesinfectieuses. A descris corpusculii Babe-Negri n creierul animalelor moarte de turbare,importani pentru diagnosticul bolii, precum i corpusculii Babe-Ernst din citoplasma unorbacterii Gram pozitive.

Ioan Cantacuzino (1863 - 1934), ntemeietorul Institutului din Bucureti care i poart azinumele, a fost elev al lui Mecinikov, studiind imunitatea i fagocitoza la nevertebrate, dar inumeroase boli ca scarlatina, holera, tuberculoza, difteria, producnd numeroase seruri ivaccinuri pentru prevenirea diferitelor boli infecioase.


4/69

A emis prima lege sanitar din Romnia (1910) i a avut contribuii importante ladezvoltarea nvmntului medical romnesc.

Ali cercettori romni care au avut contribuii la dezvoltarea microbiologiei ca tiin aufost Constantin Ionescu Miheti (1883 - 1962), cu realizri n prevenirea infeciilorpoliomielitice, Mihai Ciuc (1883 - 1969), renumit pentru descoperirea fenomenului de lizogenie

determinat de bacteriofagi, Dumitru Combiescu (1887 - 1961) care a studiat antraxul,leptospirozele, rickettsiozele, Nicolae Nestorescu (1901 - 1969), continuator al colii create deIoan Cantacuzino, Constantin Levaditi, tefan S. Nicolau, cu studii asupra virusurilor hepatitice,herpetice, asupra oncogenezei i imunologiei virale.

Interesul pentru studiul microorganismelor este ntr-o continu cretere, de ladescoperirea lor pn astzi, deoarece numeroase specii fie sunt benefice pentru activitateaomului, fie produc infecii la om, animale sau plante. Bacteriile sunt importante i din punct devedere teoretic, nu numai practic, pentru studiul proceselor vieii n condiii extreme.

Poziia microorganismelor n lumea vie

n sistemul de clasificare a lumii vii propus de Aristotel, erau precizate dou regnuri,Plantae (n care se ncadrau i Virophyta, Bacteriophyta i Fungi) i Animalia (care cuprindea iprotozoarele).

Ulterior Hogg (1860) i Haeckel (1866) au propus mprirea n 3 regnuri: Protista,Plantae i Animalia. Clasificarea protistelor n dou categorii (inferioare - procariote i superioare- microeucariote), a fost propus de Stanier (1864).

Copeland a propus n 1938 sistemul celor 4 regnuri: Monera (bacterii i cianobacterii),Protista (organismele eucariote inferioare, de regul unicelulare: microalge, fungi, protozoare),Plantae i Animalia.

n 1969 Whittaker a propus un nou sistem de clasificare, n 5 regnuri:- Monera (organisme unicelulare, cu organizare de tip procariot: bacterii, cianobacterii,

actinomicete);- Protista (microorganisme eucariote: alge microscopice, fungi acvatici flagelai,

protozoare);- Fungi (organisme eucariote imobile, ce formeaz spori);- Plantae (plante nevasculare i vasculare);- Animalia (organisme pluricelulare, cu nutriie de tip ingestiv).

Ulterior, Bergey a schimbat numele regnului Monera n cel de Procaryota.Criteriile de clasificare n 5 regnuri se bazau pe trei niveluri de organizare: procariot,

eucariot unicelular i eucariot pluricelular, dar i pe modalitile de nutriie: fotosintetic,absorbtiv, ingestiv. Acest sistem de clasificare evideniaz heterogenitatea microorganismelor.Rezultatele cercetrilor la nivel molecular au artat c sistemul de clasificare a lumii vii n 5regnuri nu este corect din punct de vedere filogenetic, cele dou regnuri de microorganismeeucariote (Protista i Fungi) fiind artificiale. Deoarece o prim divizare a lumii vii trebuie s sefac n procariote i eucariote, sistemele moderne de clasificare rezerv bacteriilor o poziie

sistematic aparte.Virusurile constituie o categorie aparte de ageni infecioi. Ele sunt entiti moleculare

infecioase fr organizare celular i nu se pot ncadra alturi de celelalte microorganisme.

CONCEPTUL DE BACTERIE

Bacteriile sunt microorganisme procariote unicelulare, care au fost recunoscute cagrup distinct. Stanier a descris conceptul de bacterie, oferind posibilitatea gruprii


5/69

microorganismelor pe criterii tiinifice i nu printr-un acord convenional. Conceptul debacterie trebuie definit n funcie de organizarea de tip procariot i numai prin antitez cucelula eucariot.

Celula procariot este mai puin complex, ea reprezint unitatea de structur abacteriilor i cianobacteriilor. Celula eucariot, complex, este unitatea de structur a

tuturor celulelor algelor, fungilor, briofitelor, plantelor vasculare i animalelor. Diferenadintre procariot i eucariot reprezint cea mai mare discontinuitate evolutiv prezent nlumea vie, deoarece ntre cele dou tipuri nu se cunosc structuri intermediare.

Principalele caractere difereniale ntre celula de tip procariot i cea de tip eucariotsunt prezentate n tabelul urmtor.

Caracterul Procariote EucarioteDimensiuni Foarte mici, 1-10; unele pot fi mai mari,

spiralate saude tip filamentos, dar celulelesunt identice n cadrul filamentului

Celule mai mari, 10-100 ; unelesunt microorganisme; cele maimulte sunt uniti de structur aleorganismelor de talie mare

Peretele celular Prezent constant la bacterii, cu o structurcaracteristic; necesar existenei acestora ncondiii naturale; n compoziia peretelui intrconstant mureina (marker biochimic al celuleibacteriene), iar la unele bacterii se ntlnesc iacizii teichoici, acidul diaminopimelic.

Exist diferene ntre celulele

animale (delimitate doar demembran celular, fr peretecelular) i celulele vegetale sauale fungilor, la care peretelecelular este prezent i are ocompoziie chimic variat(celuloz, polioze, Si).

Membranaplasmatic

Structural asemntoare cu cea a eucariotelor,cu particulariti datorate compoziieichimice:

- permeabilitate selectiv; doar unelesubstane liposolubile, fragmentele

mici de ADN, apa, enzimeledegradative, unii anioni strbatmembrana;

- bacteriile dispun de sistememembranare de transport activ(permeaze de natur proteic, precumi proteine de legare, cu funcia de aasigura transportul substanelor prinmembrane)

- sterolii lipsesc din compoziia chimica membranei (cu excepiamicoplasmelor).

Celulele animale au membranacaracterizat printr-o mareplasticitate, capabil deendocitoz (fagocitoz saupinocitoz). Cele vegetale i

fungii au membrana acoperit deperetele celular rigid, care ianuleaz proprietile speciale.Sterolii sunt prezeni n modconstant.

Citoplasma n stare de gel permanent, n lipsamembranelor interne i a curenilorcitoplasmatici menine intacte structurileintracelulare; schimburile dintre celulabacterian i mediul extracelular se fac direct,fr necesitatea unei circulaii interne asubstanelor.

Exist o permanent tranziiereversibil gel sol, curenicitoplasmatici i structurimembranare intracelulare.

Organitele Lipsesc la procariote. Mitocondriile sunt eseniale i


6/69

celulare perfect delimitate; cloroplastelesunt prezente la plantele capabilede fotosintez.

Structura ifunciilematerialuluigenetic

Organizarea materialului genetic, sediul acestuia

i raportul cu citoplasmaProcariotele nu prezint un nucleu propriu-zis;materialul nuclear, sediu al informaiei genetice

bacteriene, se gsete scufundat n citoplasm ntr-o zon numit nucleoplasm, n contact direct cucitoplasma, neprotejat de o membran nuclear.Este denumit nucleosom (nucleoid) i e reprezentatde o molecul de ADN dublu catenar, circular,covalent nchis.

Structura molecular a materialului geneticInformaia genetic bacterian e de dou feluri:esenial, absolut necesar existenei celulei,caracteristic speciei bacteriene n ceea ce privetecompoziia n baze azotate G+C (nucleosomul) iaccesorie (plasmidele), reprezentat de unitigenetice extracromozomale, de dimensiuni maimici, constituite tot din molecule de ADN dublucatenar, circular, covalent nchis.

Mecanismul replicrii materialului genetic

Replicarea este de tip semiconservativ: are loc

desfacerea celor dou catene ale moleculei deADN la bifurcaia de replicare, fiecare catenseparat fiind folosit pentru sinteza unei catenecomplementare. Fiecare molecul dublu catenarnou format are o caten veche i una nousintetizat complementar.

Sediul i mecanismul traducerii informaiei

genetice

Informaia genetic e tradus n citoplasm lanivelul ribozomilor 70S, structuri tipicespecializate pentru aceast funcie.Informaia genetic e nscris continuu n cadrulmoleculei de ADN, prin transcrierea ei rezult unARN mesager i prin traducere proteinele.

Organizarea materialului genetic,

sediul acestuia i raportul cu

citoplasma

Informaia genetic e disociat nnucleu i n organitele celulare(mitocondrii i cloroplaste).Materialul nuclear e separat decitoplasm printr-o membrannuclear dublu stratificat i esteorganizat n cromozomi. Informaiagenetic din organite este protejat

prin membranele organitelorrespective.Structura molecular a materialului

genetic

Informaia genetic din nucleu estereprezentat de un numr constant,caracteristic speciei, de cromozomi,care reprezint molecule de ADNasociate cu histone, cu o structurcaracteristic. Informaia genetic dinorganitele celulare este sub form demolecule de ADN dublu catenar,circular, covalent nchis.Mecanismul replicrii materialului

genetic

Informaia genetic nuclear urmeazprocesul caracteristic de mitoz, cufazele caracteristice i cu apariiafusului de diviziune. n ciclul celularal eucariotelor prima faz (G1) estelipsit de sinteze, nucleul diploid (2n)este n interfaz, faza de sintez deADN (S) duce la dublarea informaieigenetice (4n), urmeaz o faz deeclips (G2) care este 4n i mitozacare reface structurile 2n.Informaia genetic din organitelecelulare se replic semiconservativ,

la fel ca la procariote.Sediul i mecanismul traduceriiinformaiei genetice

Informaia genetic nuclear estetradus la proteine la nivelulribozomilor 80S din citoplasm, iarcea a organitelor este tradus lanivelul respectiv cu ajutorulribozomilor 70S.Eucariotele prezint o structur


7/69

discontinu a informaiei genetice,alctuit din secvene codificatoare(exoni) i necodificatoare (introni).Transcrierea duce la formarea unuiARN premesager, netraductibil, careconine secvene exonice i intronice.

Maturarea ARN premesager duce landeprtarea din molecul asecvenelor intronice i legarea celorexonice ntre ele, rezultnd unARNm matur, care va fi tradus la

proteine.Echipamentulenzimaticoxidativ i defotosintez

Este nempachetat n structuri specifice,dispus difuz la nivelul membranei plasmaticei a diverticulilor rezultai din aceasta. Lanivelul membranei i al mezozomilor segsete sinergonul respirator (ansamblulreaciilor chimice care duc la realizarea uneianumite ci metabolice, catalizate de o serie

de enzime ce acioneaz regulat pentru andeplini un anumit proces).

Este mpachetat n structuricaracteristice: mitocondrii,cloroplaste. Sinergonul respiratori cel al fotosintezei suntautonome, localizate n structurispecifice.

Tipul dediviziune

- Diviziunea simpl, simetric: celula creteprogresiv pn la un punct critic, apoi sedivide formnd dou celule fiice identice;- Diviziunea asimetric prin nmugurire;- Diviziuni multiple prin fragmentare labacteriile filamentoase.Lipsete aparatul mitotic, repartizarea egal ainformaiei genetice este asigurat demezozomi.

Exist un aparat mitotic, careasigur repartizarea informaieigenetice n cadrul mitozei, cu fazecaracteristice.

Procesele de

sexualitate

Sunt absente; exist ns procese de

protosexualitate, care constau n transferul dematerial genetic de la o celul donatoare ()la o celul acceptoare (). Caracterul demasculinitate este determinat de prezena uneiplasmide (factor de sex, F), transferul esteunidirecional, celulele nu fuzioneaz, ci seformeaz o celul numit merozigot (zigotparial).

Procesele de sexualitate sunt

frecvente, caracterizate prinformarea gameilor haploizi,precedat de meioz; zigotul carerezult prin unirea gameilor esteun zigot propriu-zis, diploid (2n).

Mecanismele detrasfer dematerial genetic

Transferul de material genetic se faceintraspecific, interspecific, chiar intergeneric,prin:

- conjugare bacterian

- transformare bacterian- transducie fagic- sexducie

Prezint fuziunea gameilor, careeste intraspecific, urmat defuziunea nuclear.

Mecanisme deinfectare cuvirusuri ncondiiiexperimentale

Datorit existenei peretelui celular, infectareabacteriilor cu un bacteriofag specific se faceprin injectarea genomului fagic n celulabacterian, nveliul proteic rmnnd laexterior.

Celulele animale se infecteaz cuvirusurile integrale prinendocitoz, formnd o vacuolderivat din membran.Celulele vegetale se pot infecta cu


8/69

virusuri integrale doar duplezarea mecanic a pereteluicelular.

Sensibilitatea ladiferitesubstaneinhibitoare

Penicilina inhib sinteza mureinei dinstructura peretelui celular bacterian.Bacteriile sunt sensibile.Cloramfenicolul, tetraciclinele, streptomicina

acioneaz la nivelul ribozomilor 70S.Bacteriile sunt sensibile.Cicloheximida acioneaz la nivelulribozomilor 80S.Bacteriile sunt rezistente.

Penicilina

Eucariotele sunt rezistente,deoarece nu au murein.Cloramfenicolul, tetraciclinele,streptomicina

Eucariotele sunt rezistente,deoarece ribozomii lor 70S suntprotejai de membraneleorganitelor n care se gsesc(mitocondrii, cloroplaste).

CicloheximidaEucariotele sunt sensibile.Capacitatea de aformaorganismemulticelulare

Pot forma agregate multicelulare, dar celulelesunt identice ntre ele. ntre celulele uneiasociaii pluricelulare pot avea loc interaciunisimple, nutriionale, dar celulele i pstreazindividualitatea i prin diviziune pot refaceasociaia.

Uneori celulele eucarioteconstituie organisme unicelulare,dar de cele mai multe oriformeaz organismemulticelulare.

Capacitatea dediferenierecelular

Procariotele sunt incapabile de diferenierecelular, cu excepia bacteriilor sporogene.Formarea sporilor de rezisten reprezint oform primitiv de difereniere.

Au capacitate mare dedifereniere, de la structurilesexuale pn la celule naltdifereniate, ca neuronul .

Temperaturamaxim decretere

Eubacteriile cresc maxim pn la 95C,arhebacteriile pn la 110C. Eucariotele cresc maxim pn la60C.

Bacteriile reprezint o lume aparte, cu un cadru propriu de evoluie, fr legturcu lumea plantelor, nici mcar cu a celor inferioare.


9/69

CURS 2

MORFOLOGIA BACTERIILORForma celulelor bacteriene

Forma bacteriilor este controlat genetic i este n strns corelaie cu peretelecelular cu un anumit grad de rigiditate. Dei ntr-o cultur pur forma bacteriilor poatevaria n funcie de condiiile de mediu, forma caracteristic unei specii date estepredominant n populaia bacterian respectiv.

Forma bacteriilor este un criteriu taxonomic important. Ea se apreciaz nurmtoarele condiii:

- n culturi pure, n condiii artificiale, de laborator;- n culturi bacteriene tinere, aflate n faza activ de cretere; n culturile

mbtrnite apar forme aberante necaracteristice (filamentoase, ramificate),datorit degenerrii celulare;

- n culturi aflate n condiii de cultur corespunztoare: medii de cultur adecvate,

condiii optime de pH, temperatur, concentraie a oxigenului; n condiiiimproprii de cultivare apar aciuni nocive, care determin alterri ale formei imorfologiei bacteriene.Principalele tipuri morfologice bacteriene sunt:

- forma sferic (sferoidal), corespunde celulelor izodiametrice numite coci (de lacoccus (lat.) = smn); cocii pot fi:

o perfect sferici ex. Staphylococcus aureuso uor ovoidali ex. Streptococcus pyogeneso coci lanceolai ex. Streptococcus pneumoniae (iniial denumit

Diplococcus pneumoniae)o coci cu aspect reniform ex.Neisseria meningitidis

- forma sferic ovalar , intermediar ntre coci i bacili, corespunde cocobacililor- ex.Pasteurella pestis- forma cilindric , alungit, de bastona drept sau uor curbat, corespunde

bacililor; acetia pot avea:o extremitile rotunjite ex.Bacillus subtiliso extremitile drepte ex.Bacillus anthraciso extremiti n form de picot sau mciuc ex. Corynebacterium

diphteriaeo extremiti ascuite (fusiforme) ex.Fusobacterium fusiforme

- forma spiralat , elicoidal, care prezint cteva subtipuri:o vibrionul, cu form de virgul sau semilun ex. Vibrio choleraeo spirilul, cu mai multe ture de spir rigide ex. Spirillum volutanso spirocheta, cu mai multe ture de spir flexibile ex. Treponema pallidum

- forma filamentoas , ntlnit la actinomicete (bacterii asemntoare cu fungii); econstituit din filamente lungi i ramificate, asemntoare unor micelii ex.Actinomyces israeli

- forma ptrat este caracteristic unor bacterii incluse n genul Quadra, evideniaten unele ape hipersaline din Sinai (Walsby, 1980); aceste bacterii formeazplacarde de 8-16 ptrate cu latura ntre 1,5 i 11m, cu o grosime inegal.


10/69

(dup Kayser, Thieme, 2005)


11/69

Gruparea bacteriilor

Bacteriile sunt organisme unicelulare, care se multiplic de obicei prin diviziunedirect. La unele specii, dup diviziune are loc separarea complet a celulelor fiice, astfel

nct rezult indivizi izolai. La alte specii, dup diviziune celulele fiice rmn ataateuna de cealalt, formnd grupri caracteristice speciei bacteriene.Modul de grupare a doi sau mai muli indivizi bacterieni depinde de orientarea n

spaiu a planurilor de diviziune succesive.Gruparea cocilorBacteriile sferice (cocii) se pot ntlni ca indivizi izolai (cocul simplu) sau sub

forma unor grupri de doi sau mai muli coci:- diplococi diviziunea se face dup planuri succesive paralele, celulele rmn

grupate cte dou ex. Streptococcus pneumoniae,Neisseria meningitidis- streptococi planurile de diviziune succesive multiple sunt paralele, formndu-se

n final iraguri de celule de dimensiuni variabile ex. Streptococcus pyogenes

- tetrad - planurile de diviziune succesive sunt perpendiculare unul pe cellalt,rezultnd grupri de 4 celule ex. Micrococcus tetragenes- sarcin - planurile de diviziune succesive sunt perpendiculare unul pe cellalt i

orientate n trei direcii diferite, rezultnd grupri de celule cu o simetrie cubic ex. Sarcina flava

- stafilococi - planurile de diviziune succesive sunt orientate neregulat n spaiu,astfel nct forma final a gruprii celulare este asemntoare cu un ciorchine ex. Staphylococcus aureusGruparea bacililorBacteriile alungite (bacilii) se pot ntlni ca indivizi bacterieni izolai (bacilul

simplu) sau sub forma unor grupri formate n funcie de orientarea planurilor de

diviziune succesive:- diplobacil - diviziunea se face dup planuri succesive paralele, celulele rmngrupate cte dou ex.Klebsiella pneumoniae

- streptobacil - diviziunea se face dup planuri succesive paralele, mai multe celulermn unite ex.Bacillul cereus

- grupri sub forma literelorV, M ori sub form de armonic sau palisad dupdiviziune celulele rmn mpreun cte dou sau mai multe, aezate una fa decealalt sub un unghi ascuit sau de 180 grade ex. Corynebacterium diphteriae

ANATOMIA CELULEI BACTERIENE

Datorit dimensiunilor mici, organizarea intern a bacteriilor a fost mult timpcontroversat i chiar contestat, existnd opinia c celulele bacteriene ar fi lipsite de ostructur intern sau ar avea una foarte rudimentar. Perfecionarea tehnicilor de laborator(tehnici citologice, tehnici de microscopie electronic) a fcut posibil descrierea anumeroase componente ale celulei bacteriene.

Constituenii celulari bacterieni pot fi clasificai n dou categorii, n funcie depoziionarea lor fa de peretele celular:


12/69

- componente extraparietale:o capsula bacteriano stratul mucoso flageliio pilii

o fimbriile- componente intraparietale:

o membrana citoplasmatico mezosomiio citoplasmao nucleosomulo plasmideleo ribozomiio vacuoleleo incluziileo

endosporulUnele structuri sunt eseniale pentru viaa celulei i sunt prezente invariabil latoate celulele bacteriene (membrana citoplasmatic, citoplasma, nucleosomul, ribozomii),altele sunt accesorii i pot lipsi la unele bacterii (flagelul, plasmidele, endosporul). Altestructuri apar doar n unele perioade de via ale celulei (incluziile, vacuolele,endosporul).


Peretele celular bacterianPeretele celular reprezint o structur de nveli bine definit, n general rigid (cu

excepia spirochetelor), care delimiteaz celula bacterian. Este situat n afara membraneicitoplasmatice, de care ader strns, reprezentnd 20 40% din greutatea uscat a celuleibacteriene.


13/69

La microscopul fotonic nu poate fi evideniat la celulele vii, datorit indiceluimare de refracie, dect n urma unor coloraii speciale selective, dar poate fi evideniat lamicroscopul electronic.

Grosimea peretelui celular este de 15 35nm.n funcie de prezena i particularitile de structur ale peretelui celular, n

regnul Prokaryotae se disting 4 categorii de bacterii:- Firmacutes (de la firmus (lat.) = tare, cutis = nveli), care cuprinde bacterii cuperete celular gros, rigid, lipsit de o membran extern, caracteristic bacteriilorGram (+);

- Gracilicutes (gracilis (lat.) = subire, fin), care cuprinde bacterii cu perete celularsubire, cu o membran extern, caracteristic bacteriilor Gram (-);

- Mollicutes sau Tenericutes (mollis, tener (lat.) = moale) cuprinde bacteriile dingrupul Mycoplasma, lipsite de perete celular, la care membrana citoplasmatic ceconine steroli devine nveli extern;

- Mendosicutes (mendosus = o structur cu defecte), care cuprinde organismele dingrupul Archaea, cu un perete celular atipic, din care lipsete mureina, avnd n

compoziia lor chimic pseudomurein, ce le permite s triasc n condiiiextreme de mediu.Marea majoritate a bacteriilor sunt cuprinse n primele dou categorii, Gram (+) i

Gram (-).

Structura peretelui celular la bacteriile Gram pozitive

La bacteriile Gram pozitive peretele celular este gros (15 30 nm), rigid;componenta sa esenial, care reprezint 80 90% din structura peretelui i asigurrigiditatea peretelui, este mureina (murus = perete), denumit i peptidoglican,glicopeptid, mucopeptid, glucozaminopeptid. Stratul de murein este sensibil la aciunea

enzimei lizozim, care atac legturile chimice din structura sa.Mureina este alctuit din dou componente, componenta glicanic (glucidic) icomponenta peptidic.

Componenta glicanic este format din lanuri paralele polizaharidice alctuite prin legarea alternativ a dou zaharuri aminate: N-acetil-D-glucozamin i acidulN-acetilmuramic.

Componenta peptidic este un tetrapeptid, cu o compoziie n aminoacizivariabil n funcie de specie, care conine L-alanin, D-alanin, D-glutamin, L-lizin.

Tetrapeptidele se prind pe lanurile glicanice. Tetrapeptidele dintre dou lanuriadiacente se leag ntre ele prin legturi interpeptidice. Cu ct numrul acestor legturieste mai mare, cu att crete rigiditatea peretelui celular. Se formeaz astfel o reea carenconjoar structurile celulare.

La acest nivel sunt localizate dou tipuri de enzime ce contribuie la cretereaperetelui celular: murein-hidrolazele, care atac legturile chimice ale mureinei imurein-sintetazele, care realizeaz noi constitueni structurali pe care i inser n dreptulrupturilor create.

Numai bacteriile Gram pozitive prezint la exteriorul stratului de murein aciziiteichoici (teichos (gr.) = zid), polizaharide specifice, sub forma unor molecule polimericelungi, flexibile, cu aspect tubular. Din punct de vedere chimic acizii teichoici sunt


14/69

polimeri de tipul poliribitol-fosfat i 1,3 poliglicerol-fosfat, legai covalent de stratul demurein.

Structura peretelui celular la bacteriile Gram negative

Bacteriile Gram negative prezint perete celular subire, cu un strat fin de mureinsensibil la lizozim, de 0,01 grosime. La aceste bacterii mureina reprezint doar2,5 10% din greutatea uscat a peretelui. Sacul mureinic este un monostrat molecular,cu structur similar cu cea a bacteriilor Gram pozitive i nu prezint acizi teichoici.

Componenta peptidic a peretelui bacteriilor Gram negative conine aciddiaminopimelic (derivat al lizinei), punile transversale interpeptidice reunind grupareaNH2 a acidului diaminopimelic cu gruparea COOH a D-alaninei de pe alt lan glicanic.

Stratul de peptidoglicani este aderent la membrana citoplasmatic formndmpreun cu aceasta membrana intern. La exterior stratul de peptidoglicani prezint omembran extern, cu o grosime de 6 20nm, care nu este sensibil la lizozim, ci laEDTA (etilen-diamino-tetraacetat) 30%. ntre cele dou membrane se delimiteaz spaiul

periplasmic, care cuprinde stratul de peptidoglicani.Membrana extern are n compoziia sa chimic fosfolipide (35%), proteine(15%), lipopolizaharide (50%) i o structur similar cu cea a membranei citoplasmatice.Fosfolipidele sunt n dublu strat, cu gruprile hidrofile ctre exteriorul membranei i celehidrofobe ctre interiorul acesteia. Proteinele sunt inclavate n acest dublu strat. Uneleproteine (numite porine) strbat complet membrana extern, asigurnd trecerea unorsubstane din mediu n celule. Lipopolizaharidele (LPS) prezint trei poriuni: lipidul A,legat de stratul de fosfolipide; componenta oligozaharidic numit poriunea central R,care este legat covalent de lipidul A i componenta polizaharidic (antigenul somatic O),variabil ca structur i compoziie chimic, ce determin specificitatea antigenic acelulei bacteriene.

n spaiul periplasmic, situat ntre membrana intern i cea extern, se gsesc proteine enzimatice de tipul fosfatazelor, ribonucleazelor i proteine neenzimatice,implicate n transportul substanelor prin membrane, numite proteine de legare.

Funciile peretelui celular bacterian

Peretele celular bacterian menine arhitectura structural a celulei i formaacesteia, conferindu-i elasticitate i plasticitate. Elasticitatea se refer la capacitateacelulei bacteriene de a-i mri volumul atunci cnd include o cantitate mai mare de ap ide a reveni apoi la volumul iniial. Plasticitatea reprezint capacitatea celulei de a sedeforma sub aciunea unei presiuni, fr ca structura sa intern s fie alterat.

Peretele celular particip la procesele de cretere i multiplicare bacterian, laprocesul de sporogenez i funcioneaz ca o barier de permeabilitate ntre interioruli exteriorul celulei.

Acizii teichoici asigur celulelor bacteriene Gram pozitive concentraii adecvatede ioni metalici n micromediul de la suprafaa celulei, concentraii importante pentruactivitatea unor sisteme enzimatice membranare. Ei inhib fagocitoza i mresc astfelgradul de patogenitate al bacteriilor Gram pozitive patogene. Unii acizi teichoiciacioneaz ca receptori pentru bacteriofagi.


15/69

Membrana extern scade capacitatea de fagocitoz a celulelor gazd fa debacteriile Gram negative patogene, iar prin intermediul porinelor asigur trecerea unorsubstane din mediul extracelular n cel intracelular. Antigenul somatic O confer

celulelor bacteriene specificitate antigenic, compoziia sa n zaharuri fiind diferit chiarn cadrul aceleiai specii bacteriene. Lipopolizaharidele au rol de endotoxin,rspunztoare de efectele nocive asupra celulelor gazd.



16/69

Membrana citoplasmatic

Membrana citoplasmatic este o formaiune structural ce acoper de jur mprejurcitoplasma bacterian, separnd-o de suprafaa intern a peretelui celular. Grosimeamembranei este de 7 10nm. La microscopul electronic apare ca o structur

tristratificat, cu dou straturi ntunecate (electronodense), ntre care se gsete un stratmai clar, mai puin electronodens.Pornind de la imaginea electronomicroscopic a membranei, Robertson a numit

aceast structur structur n sandwich sau unitate de membran (unit membrane),considernd n mod eronat c cele dou straturi electronodense sunt proteice, iar stratulmijlociu este lipidic. Determinrile biochimice ulterioare au infirmat acest model,deoarece proteinele sunt ntr-o cantitate insuficient pentru a forma dou straturi.

Singer i Nicolson au propus n 1972 modelul mozaicului fluidpentru a descriestructura membranei plasmatice. Conform acestui model, membrana plasmatic arestructur bidimensional, cu un strat dublu de fosfolipide n care sunt inclavate proteine(un ocean de fosfolipide pe care plutesc iceberguri de proteine).

n structura membranei se gsesc fosfolipide, proteine i glucide.Fosfolipidele sunt dispuse ntr-un dublu strat, cu gruprile hidrofobe nepolare fan fa, reprezentate de doi acizi grai. Extremitile polare hidrofile, reprezentate de ogrupare fosfat, sunt orientate spre mediile apoase externe sau interne ale celulei.Moleculele fosfolipidelor se pot deplasa lateral n acelai strat, micare numit turnover,sau se pot deplasa de la un monostrat la altul, proces numit tranziie flip flop.

Proteinele sunt inclavate n dublul strat de fosfolipide. Ele pot fi inserate nstructura membranei i se numesc proteine integrate (transmembranare i structurale,cele din urm fiind expuse pe suprafaa intern sau extern a membranei) sau pot fiproteine neincluse n structura membranei, numite proteine periferice (de suprafa),care sunt enzime active ctre peretele celular sau ctre citoplasm.

Glucidele sunt slab reprezentate n structura membranei plasmatice, ele fiind subform de glicoproteine sau de glicolipide.Membrana plasmatic reprezint o suprastructur citoplasmatic permanent,

esenial pentru viaa celulei, care are rolul de a delimita spaiul celular. Ea este o barierntre mediul extracelular extrem de variabil i mediul intracelular relativ constant.Permeabilitatea selectiv a membranei este asigurat printr-o asimetrie structural ifuncional, care duce la un comportament diferit spre faa sa citoplasmatic n raport cufaa sa dinspre peretele celular.

Membrana plasmatic este o structur dinamic, urmare a mobilitiifosfolipidelor i a capacitii de rennoire a constituenilor membranei. Este i o barierosmotic prin permeabilitatea pentru unele tipuri de molecule i impermeabilitatea pentrualtele.

Rolul membranei plasmaticePrin permeabilitatea sa selectiv, membrana plasmatic este asociat cu

transportul substanelor de la exteriorul celulei ctre interiorul acesteia i n sens invers.Unele proteine membranare joac rol de transportori de electroni.

La nivelul membranei sunt localizate enzime cu rol n fosforilare (de exempluATP-azele), precum i sinergonul respirator i al fotosintezei, echivalentul funcional almitocondriilor i al cloroplastelor.


17/69

Membrana intervine n biosinteza peretelui celular i joac rol de receptor specificpentru substanele utile celulei bacteriene. Membrana intervine n mobilitatea orientat abacteriei prin recepionarea mesajelor chimice din mediu (prin intermediul proteinelorsale cu rol de chemoreceptori), determinate de substane repelente sau atractante. Lanivelul membranei este localizat i corpusculul bazal al flagelului, astfel nct membrana

este implicat i n mobilitatea celulei.Membrana plasmatic intervine i n sinteza i eliminarea unor exoenzime i aunor proteine toxice bacteriene (exotoxine), cu rol nociv pentru organismul gazd.

MezosomiiMezosomii (mezos (gr.) = mijloc, soma (gr.) = corp) sunt structuri derivate din

membrana plasmatic, ce au deseori poziie median n celul. Ei se mai numesc i corpide mijloc, plasmalemasomi.

Sunt structuri intracitoplasmatice membranare, derivate prin invaginareamembranei, a cror semnificaie biologic a fost controversat.

Au fost descrise trei tipuri morfologice de mezosomi: tubulari, veziculari

(sacciformi) i lamelari. ntr-o celul bacterian pot exista mai muli mezosomi, mainumeroi, cu structur complex i mai bine dezvoltai la bacteriile Gram pozitive, mai puini i mai greu de observat la bacteriile Gram negative. Structura molecular amezosomilor este identic cu cea a membranei plasmatice din care provin, cu o grosimede 7 10nm i un dublu strat fosfolipidic n care sunt inclavate proteine structurale i curol enzimatic.

Mezosomii i au originea n membrana plasmatic, ce crete i se invagineazdatorit faptului c peretele celular rigid crete mai ncet dect membrana. Invaginareamembranei plasmatice duce iniial la formarea unor mezosomi tubulari, apoi la mezosomiveziculari, n final ajungnd la aspectul lamelar. Sunt structuri dinamice, care seformeaz atunci cnd sunt necesari bacteriei.

Semnificaia biologic a mezosomilorUnii autori consider mezosomii ca structuri vestigiale, fr semnificaiebiologic esenial. Alii consider c mezosomii au funcii multiple n celula bacterian:

- Au rol n replicarea i segregarea genomului bacterian i n individualizareacelulelor;

- Au rol n controlul replicrii cromozomului bacterian i plasmidelor, printransmiterea semnalului biochimic de iniiere a replicrii materialului genetic;

- Fiind derivai din membrana plasmatic, reprezint mpreun cu aceasta sediulsinergonului respirator, fiind considerai echivalentul funcional al mitocondriei;particip la reacii de fosforilare, oxidoreducere, transport de electroni;

- La nivelul lor se gsesc enzime degradative, astfel nct pot fi consideraiechivalentul funcional al lizozomilor;

- Au rol n procesele secretorii ale celulei, contribuind la producerea i eliberareaunor exoenzime celulare;

- Sunt asociai cu procesele de biosintez a nveliurilor celulare (membranplasmatic, perete celular, sept transversal de diviziune);

- Unii autori (Tichy i colab., 1969) consider c mezosomii ar reprezenta regiunispecializate de ptrundere n celula bacterian a fragmentelor de ADN exogen ntimpul transformrii genetice bacteriene.


18/69

Cu toate aceste funcii multiple, unii cercettori (Nanninga, 1985) contestexistena mezosomilor, considernd c ei sunt artefacte (structuri artificiale) care apar ntimpul pregtirii materialului celular pentru examinarea la microscopul electronic i cprin modificri ale tehnicilor folosite s-ar putea induce producerea de mezosomi tubulari,veziculari, lamelari, dup bunul plac.

Tipuri morfologice de mezosomi:A vezicular; B sacciform turtit; C form intermediar; D multilamelar, complex

(dup G. Mihescu, 2000)

Citoplasma bacterian

Citoplasma celulelor bacteriene este un sistem coloidal complex, care din punctde vedere fizic corespunde strii de gel i este format din proteine, glucide, lipide, ap isubstane minerale.

Starea de gel permanent are ca rezultat o imobilitate a coninutului celular n lipsacurenilor citoplasmatici i reprezint o condiie indispensabil a nemiscibilitiinucleosomului cu citoplasma, avnd n vedere lipsa membranelor intracelulare.

Citoplasma bacteriilor nu prezint organite citoplasmatice difereniate idelimitate de membrane (de tipul mitocondriilor i cloroplastelor).

Aspectul citoplasmei variaz n funcie de vrsta celulei bacteriene i de condiiilede cultivare. Astfel, la celulele tinere (din culturi de 24 48 ore) i n condiii favorabilede mediu, citoplasma ader strns de membrana citoplasmatic i se prezint ca o masdens, omogen, fin granular, intens colorabil cu colorani de anilin (colorani bazici)datorit coninutului ridicat de acizi nucleici.

La celulele mbtrnite i n condiii nefavorabile de mediu, citoplasma i pierdetreptat afinitatea pentru coloranii bazici, se ndeprteaz de nveliul celular i capt unaspect granular, neomogen, cu multiple vacuole.


19/69

n citoplasm se gsesc: materialul nucleosomal, mezosomii, ribozomii, incluziilei vacuolele. Ribozomii sunt responsabili de structura granular a citoplasmei, prezentnddou topografii diferite: cei care particip la sinteza proteinelor celulare i aconstituenilor citoplasmatici sunt dispui omogen n masa citoplasmei, iar cei carecontribuie la sinteza proteinelor care vor fi secretate sau excretate la exteriorul celulei

sunt grupai pe faa intern a membranei plasmatice. Citoplasma este foarte bogat nARN, n special ARN ribozomal (ARNr, 80%), ARN de transfer (ARNt, 10 20%) iARN mesager (ARNm, 2%), ceea ce explic bazofilia ei intens la celulele tinere, cusinteze proteice intense. Celulele mbtrnite se coloreaz mai puin intens, deoarecesinteza de ARN ribozomal nceteaz i cel existent este folosit ca surs de azot i fosfor.

Nucleosomul bacterian

Materialul genetic bacterian este reprezentat de dou tipuri de structuri:nucleosomul, numit i nucleoid, material nuclear, echivalent nuclear, genofor, carecorespunde din punct de vedere funcional cromozomului, i plasmidele, care poart

gene accesorii.Nucleosomul bacterian reprezint o form primitiv de organizare a nucleului,lipsit de membran nuclear, inclavat direct n citoplasm, n mod obinuit n mijloculcelulei bacteriene, ntr-o zon numit nucleoplasm. Zona nucleoplasmei este mai clar,n raport cu citoplasma propriu-zis, care este mai dens.

Studiul microscopic al nucleoidului ntmpin dificulti legate de bazofiliaintens a citoplasmei, foarte bogat n ARN, care nu permite diferenierea cu coloranibazici a materialului genetic, constituit din ADN, la fel de bazofil. Dac celula bacterianeste supus unui tratament cu dezoxiribonucleaz i apoi unei coloraii cu coloranibazici, n mijlocul celulei se observ o zon clar, incolor, n care a fost localizatnucleoidul. Evidenierea microscopic a nucleoidului se poate face prin coloraii

selective, care constau n ndeprtarea ARN citoplasmatic prin hidroliz acid (tehnicaRobinow - Feulgen) sau enzimatic (cu ribonucleaz, tehnica Boivin), urmat decolorarea cu colorani bazici de anilin. Dup hidroliza ARN, materialul nuclear aparesub diferite forme: sferic, ovalar, de halter, de bastona, reprezentnd 5 16% dinvolumul celulei.

La microscopul electronic nucleoidul apare n zona central a celulei, mai puinelectronodens dect citoplasma bacterian, n contrast cu celula eucariot la care nucleuleste mai electronodens dect citoplasma. Celula procariot are un contrast invers alstructurilor sale n raport cu celula eucariot, deoarece ADN nu este asociat cu proteine,iar citoplasma bacterian are o densitate foarte mare. Pe seciuni ultrafine regiuneanucleosomal apare ocupat de fibrile fine, cu diametrul de 2,5nm, uneori aranjate niruri ondulate, paralele.

Extras prin metode speciale din celula bacterian, sub forma unui corpuscul densi compact, nucleosomul s-a dovedit a fi alctuit dintr-o singur molecul de ADN, dublucatenar, circular, covalent nchis, cu o lungime de aproximativ 1400m i diametrulde 2,5nm. Circularitatea moleculei de ADN este o condiie esenial a existenei sale ncelula bacterian, n contact direct cu citoplasma n care se gsesc cantiti mare deexonucleaze, care ar ataca moleculele lineare la extremitile lor.


20/69

Nucleosomul bacterian este cea mai mare molecul biologic i prin lungimea sadepete de 1000 de ori lungimea celulei bacteriene. n structura dublu catenar anucleoidului intervin modificri topologice care constau ntr-un proces de mpachetareprin suprarsucire (supraspiralizare), ocupnd astfel un volum de 1500 de ori mai mic.Pentru a ocupa un volum att de mic, molecula de ADN se mpacheteaz dup norme

extrem de riguroase, astfel nct n orice moment cele 3000 5000 de gene pe care leconine s fie accesibile sistemelor celulare de transcriere i traducere.Stonington i Pettijohn au elaborat n 1971 un model de mpachetare a ADN n

celula bacterian.Ei au demonstrat c ADN-ul poate fi extras din celula bacterian prin metode

blnde sub forma unei mase dense, compacte, care corespunde strii mpachetate anucleosomului. Din aceast mas compact ei au izolat ADN, ARN i proteine.Moleculele de ARN (ARNm, ARNt) i proteinele au un rol esenial n meninerea striicompacte a nucleosomului., materialul genetic fiind reprezentat doar de ADN. Dacnucleosomul extras din celul este tratat cu ARN-az, acesta se deruleaz ntr-o moleculdublu catenar de ADN depliat, circular, nchis, numit form relaxat, cu diametrul

de 350m.Modelul de mpachetare prin pliere i supraspiralizare explic mecanismulmolecular al drumului invers, de la structura relaxat a nucleosomului la forma sacompact.

Dup prerea celor doi autori, forma relaxat a moleculei de ADN, cu diametrulde 350m, ar suferi mai nti un proces de pliere (folding) n 40 60 bucle, rezultnd ostructur cu un diametru de 30m. La baza fiecrei bucle se gsesc molecule de naturproteic (ARN polimeraz) i ARN ribosomal sau mesager.

Aceste bucle reprezint domenii de suprancolcire prin rsucirea dublului helixspre stnga, rezultnd o structur cu diametrul de 2 - 3m. Domeniile cromozomului bacterian sunt topografic independente. Supraspiralizarea, realizat n cadrul fiecrui

domeniu de pliere, este o stare fizic, n care molecula de ADN se pliaz prin rsucire njurul axei sale.

Supraspiralizarea este urmarea aciunii topoizomerazelor, care sunt de dou tipuri:- helicaze, cu rol de suprarsucire a moleculei dublu catenare de ADN

(topoizomeraza II, AND - giraza);- derulaze, cu rol de a produce dezrsucirea ADN - ului i aducerea lui ntr-o form

relaxat (topoizomeraza I).


21/69

n urma aciunii helicazelor, structura ADN devine tridimensional, prin pliereazonelor suprarsucite superior i inferior fa de un plan orizontal, ajungndu-se la formacondensat care a fost izolat iniial din celula bacterian.

n mod normal, bacteriile aflate n repaus conin un singur cromozom (sunthaploide). Apariia unor celule multinucleate, cu 2 4 cromozomi, n culture tinere, pemedii ce confer condiii optime de cretere, este rezultatul nesincronizrii ntrediviziunea celular i replicarea ADN ului. Situaia de celul multinucleat estetemporar.

Funciile materialului genetic nucleosomal

Nucleosomul conine informaia genetic esenial necesar existenei celulelor bacteriene n mediul lor natural. Informaia genetic din nucleoidul bacterian estecuprins n aproximativ 3000 4000 gene (determinani genetici). Acestea asigur

formarea structurilor celulare bacteriene, metabolismul energetic i biosintetic, reglareaactivitilor celulare, replicarea celulei bacteriene, potenialul de evoluie a celulei.Pe medii neobinuite, celulele bacteriene prezint, pe lng nucleosom, o

informaie genetic accesorie, reprezentat de plasmide. Acestea sunt molecule de ADNdublu catenar, circular, covalent nchis, numite i minicromozomi, reprezentnd 1 2%din mrimea cromozomului bacterian, cu un numr mic de gene.


22/69

CURS 3

RibozomiiRibozomii sunt particule nucleoproteice intracitoplasmatice, de form

aproximativ sferic i cu un diametru de 20nm; pot fi caracterizai prin constanta lor de

sedimentare la ultracentrifugare n gradient de concentraie (concentraie de sucroz de5 25%). Ribozomii eucariotelor sunt de tip 80S, iar ribozomii procariotelor sunt de tip70S.

Ribozomii sunt structuri dinamice, care au capacitatea de a disocia n cele dousubuniti componente, care se reasociaz cnd ribozomii sunt funcionali. Asocierea idisocierea componentelor ribozomale sunt corelate cu variaiile concentraiei ionilor demagneziu: asocierea este favorizat de creterea concentraiei ionilor de magneziu, iardisocierea e corelat cu scderea acestei concentraii.

Numrul ribozomilor n celula bacterian este corelat cu activitatea ei fiziologic,fiind mic n celulele aflate n repaus i mare n celulele fiziologic active. El variaz ntre15000 100000/celul. Unii ribozomi se gsesc liberi n citoplasm i determin

structura granular a acesteia, mai ales la celulele tinere. Alii se gsesc pe faa intern amembranei citoplasmatice, la nivelul lor avnd loc sinteza proteinelor care vor fieliminate la exteriorul celulei.

Ribozomii bacterieni 70S au dou subuniti: o subunitate mare, 50S, care areform de fotoliu i o subunitate mic, 30S, care are form de halter asimetric, aezatorizontal pe braele i sptarul fotoliului. Ribozomii 70S conin n total 55 molecule deproteine i 3 molecule de ARN ribosomal. Subunitatea mare are greutatea molecularde 16000000 Da, cu 34 molecule diferite de proteine, notate de la L1 la L34 (de la large =mare) i dou molecule de ARNr, una foarte mare, 23S, alta mic, 5S. Subunitatea micare greutatea molecular de 900000 Da, cu 21 molecule proteice, notate de la S1 la S21 (dela small = mic) i o molecul de ARNr, cu o constant de sedimentare 16S.


23/69

Subunitatea mare are form de fotoliu, iar subunitatea mic are aspect de halterasimetric, rezemat orizontal pe braele i sptarul fotoliului. ntre cele dou subuniti,mai precis ntre scobitura fotoliului i gtul halterei, rmne un canal lung i ngust, princare trece ARN mesager, purttorul informaiei genetice necesare sintezei proteinelor.

O celul de Escherichia coli n plin cretere sintetizeaz aproximativ 500

ribozomi/minut, acest proces implicnd sinteza coordonat a moleculelor proteice i aARNr, precum i asamblarea lor funcional. Celulele bacteriene au o capacitate de asintetiza ribozomi ntr-un ritm accelerat, o capacitate de biosintez proteic rapid ieficient, astfel nct se pot multiplica rapid, pentru a supravieui n natur.

Ribozomii sunt constitueni eseniali ai sistemului de traducere a informaieigenetice, reprezentnd adevrate fabrici de proteine. La nivelul lor se desfoar unansamblu de reacii care formeaz ciclul ribozomal, ce determin iniierea, creterea iterminalizarea lanului polipeptidic, n care ribozomii interacioneaz cu ARN mesagerpentru a lega specific moleculele de aminoacizi adui cu ajutorul ARN de transfer,asigurnd formarea proteinelor. Ribozomii se asociaz n polisomi (poliribozomi),grupri funcionale formate din 4 50 uniti ribozomale. Dimensiunile poliribozomilor

variaz n funcie de lungimea ARNm. Polisomii se deplaseaz n lungul moleculei deARNm i permit sinteza concomitent a mai multor molecule proteice pe aceeaimolecul de ARNm.

Rolul ribozomilor n sinteza proteicn faza de cretere logaritmic a culturii bacteriene, la temperatura optim,

cromozomul bacterian este transcris cu o rat de 60 nucleotide/secund. La procarioteribozomii au relaii spaiale strnse cu ADN, deoarece transcrierea i traducereainformaiei sunt dou procese intim coordonate, care se desfoar aproape concomitent.

Dup ce a citit integral informaia ARNm, ribozomul se desprinde, elibernd nacelai timp polipeptidul sintetizat. Polisomul este ataat fizic de cromozomul bacterianpentru o perioad scurt de timp. Transcrierea moleculei de ARNm dureaz circa un

minut. Rata traducerii este corelat cu rata transcrierii.Pe medii nutritive bogate, ribozomii celulelor bacteriene (ataai de suprafaaintern a membranei citoplasmatice) sintetizeaz exoproteine, care sunt eliminate laexterior. Unele proteine de acest fel nu apar niciodat n citoplasma celulelor bacteriene,sugernd c ele sunt eliminate pe msur ce sunt sintetizate. Ele sunt molecule relativmici, lipsite de rigiditate.


24/69

Incluziile bacterieneIncluziile bacteriene sunt formaiuni structurale inerte, care apar n citoplasma

bacteriilor aflate la sfritul perioadei de cretere activ, de regul n condiii deabunden a surselor nutritive i n prezena unui dezechilibru ntre carbon i azot. Elereprezint rezerve intracelulare pentru microorganisme, care dispar dup trecerea

celulelor respective n medii srace n nutrieni.Mrimea, forma, coninutul i numrul incluziilor difer. Ele pot fi:- incluzii anorganice simple (sulf coloidal, carbonat de calciu);- polimeri anorganici (incluzii de polimetafosfat care constituie volutina);- polimeri organici polizaharidici (amidon, glicogen), lipidici

(polibetahidroxibutirat) sau proteici (incluziile parasporale de la Bacillusthuringiensis).Dup criterii structurale, se disting incluzii delimitate de membrane (de exemplu

cele de polibetahidroxibutirat) sau nedelimitate de membrane (de exemplu cele deglicogen, de volutin).

La microscopul optic apar ca structuri granulare, de form neregulat, refringente,

cu dimensiuni ntre 50 100nm.Granulele de volutin (corpusculii Babe Ernst) sunt polimeri de polifosfai careau fost evideniate la Spirillum volutans i care se formeaz n condiiile deficituluioricruia dintre nutrieni. Ele reprezint o rezerv de fosfor i de energie intracelular.

Incluziile de sulf anorganic sunt structuri refringente, localizateintracitoplasmatic sau la nivelul unor pliuri ale membranei citoplasmatice. Se ntlnesc labacteriile sulfuroase purpurii (Chromatiaceae) care folosesc n fotosintez H2S ca donorde electroni i la bacteriile filamentoase autotrofe nefotosintetizante (Beggiatoa), careoxideaz H2S. Dup epuizarea H2S din mediu, sulful depozitat n celule este oxidat lasulfat.

O categorie aparte de incluzii e reprezentat de magnetosomi, incluzii ce conin

magnetit (Fe3O4), rspunztoare de fenomenele de orientare descrise la bacterii subinfluena cmpurilor magnetice slabe sau a cmpului magnetic al pmntului(magnetotaxie). Bacteriile magnetotactice au fost izolate din sedimentele marine i de apdulce, ca de exemplu Aquaspirillum magnetotacticum, singura obinut n cultur pur.Aceste bacterii au o importan deosebit n studiile asupra cmpului magnetic alpmntului.

Incluziile proteice parasporale se sintetizeaz odat cu formarea sporilor.

Vacuolele bacterieneSunt formaiuni sferice cu diametrul de aproximativ 0,3 0,5m, mai puin

refringente dect citoplasma. n funcie de mediul de cultur numrul lor ntr-o celul estentre 6 i 20. Vacuolele conin substane dizolvate n ap i sunt delimitate de un nvelilipoproteic unistratificat, cu grosimea de 3nm, numit tonoplast.

Unii autori consider c vacuolele se formeaz ca urmare a ptrunderii uneicantiti mari de ap n celul. n apa aflat n exces se dizolv produi de metabolismhidrosolubili, iar lipidele i proteinele acumulate n jurul picturilor de ap formeaztonoplastul. Rolul vacuolelor ar fi acela de reglatori ai presiunii osmotice n raport cumediul extern, precum i de depozite de substane de rezerv n perioada premergtoareformrii incluziilor.


25/69

Un tip special de vacuole este reprezentat de veziculele gazoase, numiteaerosomi. Ele sunt ntlnite la bacteriile acvatice fotosintetizante imobile, ca de exemplucianobacterii i bacterii fotosintetizante verzi i roii. Sunt structuri refringente cu aspectovalar, compartimentate, membranele fiind constituite din proteine hidrofobe.

Aerosomii confer bacteriilor o densitate mai mic dect a apei i permit

deplasarea celor acvatice imobile ntr-o coloan vertical de ap n zone favorabilefotosintezei. De asemenea, joac un rol protector pentru bacterii, dispersnd lumina iaprnd structurile fotosensibile de aciunea nociv a ultravioletelor. Aerosomii suntnumeroi la cianobacteriile care cresc cu o rat mare i produc fenomenul de nflorire aapelor.

Endosporul bacterianAnatomia bacteriilor permite adaptarea lor la habitate diverse. Dintre toate

structurile microorganismelor, endosporul este cel mai performant din punct de vedere alrezistenei la condiiile ostile de mediu, care faciliteaz supravieuirea.

Sporul bacterian este o form primitiv de difereniere celular, care const n

formarea n celula vegetativ a unui nou tip de celul, cu ultrastructur, compoziiechimic i enzimatic diferit.Exist cel puin 10 tipuri diferite de spori, caracteristice anumitor grupuri

sistematice de bacterii, cu particulariti structurale i biologice. Cea mai comun formde spor este endosporul, care poate fi considerat sporul tipic. El este frecvent ntlnit labacteriile Gram pozitive cilindrice (de exemplu la genurile Bacillus, Clostridium) i nmod excepional la bacterii sferice (Sporosarcina).

Endosporul are form sferic sau ovalar, cu dimensiuni ntre 0,5 - 1m pentruaxul mic i ntre 1 1,5m (3m) pentru axul longitudinal. Are o refringen deosebit ie foarte greu colorabil datorit nveliurilor impermeabile pentru colorani. Se poatecolora ns dup permeabilizarea nveliurilor prin tehnici speciale energice.

n funcie de aezarea n celula bacterian, sporul poate fi terminal, subterminalsau ecuatorial (central), iar n funcie de diametrul su comparativ cu cel al celulei n carese formeaz, sporul poate fi nedeformant (terminal, subterminal, central) sau deformant(terminal, ecuatorial).

1. Spor central nedeformant2. Spor terminal nedeformant, cu cristale proteice parasporale3. Spor terminal deformant4. Spor central deformant


26/69

Spori de Clostridium difficile

n general sporii sunt unici n celula bacterian, dar exist i excepii, cnd ncelule se formeaz cte doi spori (celule bisporulate) sau chiar mai muli (celulepolisporulate).

Ultrastructura endosporuluiSporul este alctuit dintr-o poriune central, ce reprezint protoplastul sporal,

format din: perete sporal, citoplasm granular denumit sporoplasm, n care se gsescribozomii i materialul nuclear inclus n nucleoplasm. Protoplastul sporal estenconjurat de o zon transparent, mai puin dens, numit cortex, alctuit dinpeptidoglican modificat, acoperit de unnveli sporal lamelar cu 3 straturi suprapuse: lainterior este situat intina bistratificat, urmeaz un strat mijlociu i apoi exinamultistratificat. La unele bacterii exist n jurul sporului un exosporium, uneorimultistratificat, ancorat de spor prin filamente suspensoare. Unii spori au la una dintreextremiti un smoc de apendici sporali, de aproximativ dou trei ori mai lungi dectsporul, cu aspect tubular i cu striaii orizontale sau n form de pan. Rolul acestorapendici ar fi acela de a facilita dispersarea sporilor n natur, precum i nutriia sporului

n cursul sporogenezei sau germinrii, prin preluarea nutrienilor din mediu.


27/69

Compoziia chimic a sporuluiSporul conine toate categoriile de molecule necesare relurii creterii celulei

bacteriene. Lipsesc componentele celulare instabile (ARNm i nucleozidtrifosfai), darexist precursorii lor mai stabili (nucleozid mono- i difosfai). n spor nu se realizeazdeci sinteze proteice.

Sporii conin proteine structurale specifice, codificate de gene care sunt activenumai n spori, numite gene sporale. De asemenea, conin enzime noi, n generalproteaze, lipsindu-le enzimele importante n metabolismul celulelor bacteriene (ca deexemplu cele ale ciclului Krebs). Le lipsesc i sistemele transportatoare de electroni, caren celula vegetativ sunt localizate la nivelul membranei.

Enzimele sporale au o greutate molecular mult mai mic dect enzimelecelulare. Unele dintre ele provin din enzimele celulei vegetative prin digestia proteolitica acestora, realizat de proteaze codificate de enzimele sporale. Ele reprezint doarsitusul activ al enzimelor celulare, sunt mai termorezistente i sunt stabilizate prinlegturi intramoleculare.

Sporii conin o cantitate mare de ioni de calciu i magneziu, n raport cu celula

vegetativ. Ionii de calciu sunt legai cu o cantitate echivalent de acid dipicolinic, cereprezint ntre 10 - 15% din greutatea uscat a sporului. Acidul dipicolinic este implicatn termorezistena crescut a sporilor.

Concentraia de ATP este foarte sczut n spori.Iniial s-a considerat c sporul se formeaz prin deshidratarea celulei vegetative,

ceea ce ar explica lipsa metabolismului la spor. Cercetrile ulterioare au evideniat cdeosebirile dintre spor i celula vegetativ nu sunt de ordin cantitativ, ci calitativ,referindu-se la starea apei. Apa liber din spor este n cantitate foarte redus, ntre3 10%, iar restul de 90 97% este n stare legatde constituenii celulari. Apa legatnu este implicat n procese metabolice. Sporul este n stare vie, dar este o via latent(criptobioz), fr metabolism sau cu un metabolism extrem de redus, nedecelabil. n

celula vegetativ 70% din ap este n stare liber, implicat n diverse procesemetabolice.Particularitile de structur i compoziie chimic a sporilor determin

termorezistena acestora, deosebita rezisten la substanele chimice (antiseptice,dezinfectani), rezistena la radiaii.

Sporogeneza este procesul de formare a sporilor, care se desfoar n 6 7 stadiisuccesive i dureaz aproximativ 8 ore. Este declanat de lipsa unui nutrient esenialpentru celula bacterian (sursa de azot, sursa de carbon). Apar modificri ultrastructurale,biochimice i biologice, n sensul creterii rezistenei la factorii nefavorabili de mediu.Procesul este complex i din punct de vedere genetic, implicnd participarea a cel puin50 de gene, constnd n blocarea activitii genelor funcionale n celula vegetativ iactivarea genelor sporale.

Germinarea sporilor este procesul de conversie a sporului n celula vegetativ iare loc atunci cnd sporul ntlnete condiii favorabile de mediu. Se realizeaz printr-oserie de etape succesive, care n general reproduc n ordine invers fenomenul desporogenez. Sporul se hidrateaz, apa legat trecnd n stare liber, volumul sporului semrete, are loc gelificarea nveliurilor sporale, dup care celula vegetativ prsetenveliul sporal.


28/69

Semnificaia biologic a sporilorSporogeneza este o form primitiv de difereniere celular, dar i o modalitate

de adaptare a celulei la condiii de mediu nefavorabile. Mecanismele criptobiozei nusunt cunoscute. Unul dintre ele ar putea fi starea special a enzimelor, care sunt inactivaten mod reversibil.

Endosporul este i o form de conservare viabilitii celulelor i deci a speciei,nefiind o form de multiplicare. Are rol n diseminarea celulelor bacteriene n natur,deoarece pot fi rspndii la distane foarte mari i au o longevitate deosebit.

Sporogeneza poate fi asociat cu unele procese biologice importante.

Componentele extraparietaleCapsula bacterian

Capsula bacterian reprezint o structur accesorie, care acoper de jur mprejurcelula bacterian. Este alctuit dintr-un material macromolecular, gelatinos, vscos,inegal dezvoltat de la o specie bacterian la alta. Se ntlnesc mai multe forme de capsul:

1. Microcapsula este forma cea mai simpl, reprezentat de o pelicul fin, cu o

grosime mai mic de 0,2m, care acoper de jur mprejur peretele celuleibacteriene.2. Macrocapsula este o structur organizat, aderent de celul, cu o grosime mai

mare de 0,2m, demonstrabil prin metode citologice.3. Stratul mucos este o mas amorf neorganizat, ale crei componente vscoase

se dispun fr o semnificaie anatomic n jurul celulei bacteriene, cu o grosimemult mai mare de 0,2m.

4. Zoogleea (zoon = animal; glee = substan vscoas) const din acelai materialca i stratul mucos, dar cuprinde mai multe celule bacteriene, formnd o asociaiebacterian mucilaginoas.La unele bacterii din mediul natural se ntlnete un glicocalix adevrat, care are

caracter adaptativ i confer celulei un avantaj selectiv, disprnd dac bacteria estetrecut pe medii artificiale. Acesta este constituit dintr-o reea de filamente polizaharidicei glicoproteice, legate de lipopolizaharidele membranei externe la bacteriile Gramnegative sau de mureina bacteriilor Gram pozitive. Formeaz o structur pericelulardezordonat, ca o psl, prin care celulele se ancoreaz de diferite substraturi.


29/69

Flagelul bacterianFlagelii sunt structuri extracelulare, care reprezint organite de motilitate, cu o

structur rudimentar n raport cu flagelul eucariotelor. Flagelii se mai numesc iundulipode (undula = und mic,podos = picior).

Au originea n celula bacterian, strbat nveliurile celulare i prezint un

filament extracelular. Acest filament are o grosime constant pe toat lungimea lui, egalcu 20nm. Lungimea flagelului este variabil, de la 4 - 5m pn la 15m, ajungnduneori pn la 70m, flagelii fiind mult mai lungi dect celula bacterian. Flagelii nu se pot observa direct la microscop, prezena lor poate fi dedus pe baza mobilitiiaccentuate a bacteriilor, care se deplaseaz n cmpul microscopic la ntmplare, ndiferite direcii. n funcie de prezena sau absena flagelilor, numrul i gruparea lor, aufost descrise mai multe tipuri de bacterii:

- bacterii atriche (fr flagel)- bacterii monotriche (cu un singur flagel) - A- bacterii amfitriche (cu doi flageli, situai de obicei apical) - C- bacterii lofotriche (cu un smoc de flageli la unul din poli) - B

- bacterii peritriche (cu flageli de jur mprejurul celulei) - DFlagelul poate fi situat polar sau subpolar, smocul de flageli poate fi dispusecuatorial.

Ultrastructura flagelului bacterianFlagelul este format din trei componente: o poriune bazal rotatorie, situat n

nveliurile celulei bacteriene; o poriune n form de crlig, care se continu extracelularcu flagelul propriu-zis, cu un diametru constant de 20nm.

Poriunea bazal are caracter de motor rotativ i prezint o structur diferit la

bacteriile Gram pozitive fa de cele Gram negative. La bacteriile Gram pozitiveporiunea bazal e simpl, format din dou discuri unite ntre ele printr-un ax central,precum butonii unei manete. La bacteriile Gram negative poriunea bazal este formatdin mai multe discuri unite printr-un ax central:

- discul M, la nivelul membranei plasmatice, este un disc mobil, cu funcie de rotor(cu aproximativ 4000 rotaii/minut), reprezint partea rotatorie a flagelului;

- discul S, situat n regiunea supramembranar, n spaiul periplasmatic, cu rol destator, imobil;
http://www.answers.com/main/Record2?a=NR&url=http%3A%2F%2Fcommons.wikimedia.org%2Fwiki%2FImage%3AFlagella.png


30/69

- discul P, imobil, legat de lanul de peptidoglicani, n spaiul periplasmatic;- discul L, situate la nivelul lipopolizaharidelor membranei externe a peretelui

celular.n jurul discurilor M i S exist o pereche de proteine Mot, care acioneaz ca un

motor al flagelului, determinnd rotaia filamentului i proteinele Fli, care funcioneaz

ca un comutator al motorului, determinnd sensul de rotaie al acestuia n funcie desemnalele primate din interiorul celulei.Crligul are caracter de articulaie flexibil universal, putndu-se roti mpreun

cu filamentul cu 360.Filamentul extracelular este flagelul propriu-zis, situat la exteriorul celulei, cu

micri de bici, nu ondulatorii. El are un diametru constant pe toat lungimea sa.Micarea rotatorie se transmite spre crlig datorit discurilor fixe. La o bacterie cu

un singur flagel situat polar, acesta se nvrte n sens antiorar i propulseaz bacterianainte. La bacteriile peritriche flagelii se grupeaz ctre extremitatea opus direciei denaintare. Prin rotirea flagelului n sens orar, bacteria se rostogolete si i schimbdirecia de deplasare (flagelii dispui peritrich se rsfir). Motorul rotativ conine 15

proteine diferite. Filamentul este alctuit dintr-o protein major, flagelina, reprezentatde cteva mii de molecule de acelai tip, cu greutate molecular de 40.000 65.000 Da.Moleculele de flagelin sunt grupate n 11 iruri de filamente dispuse dup o simetriehelicoidal, conferind flagelului o structur tubular.

Semnificaia biologic a flageluluiPrezena flagelilor asigur deplasarea activ a bacteriilor n medii lichide. S-a

demonstrat c n medii neutre din punct de vedere chimic bacteriile se deplaseaz la

ntmplare: o secund n linie dreapt, apoi o rostogolire n 0,1 secunde cu schimbareadireciei de deplasare, urmat de o nou deplasare n linie dreapt timp de o secund.Viteza de deplasare a bacteriilor este mai mare dect a macroorganismelor, raportat ladimensiunile proprii. Bacteriile flagelate se deplaseaz cu 20-80m pe secund, ceea cereprezint o vitez de 40 lungimi/secund. Micarea orientat preferenial a bacteriiloreste numit taxie. Ea se poate realiza n funcie de substanele chimice din mediu(chimiotaxie), de lumin (fototaxie), de concentraia de oxigen (aerotaxie), detemperatur (termotaxie).


31/69

Substanele chimiotactic pozitive (atractante) determin deplasarea bacteriilormpotriva gradientului de concentraie, din zone n care concentraia substanelorrespective este mic, spre zone n care ea este mare. Substanele atractante sunt n generalsubstane utile bacteriilor (aminoacizi, zaharuri, ioni de calciu i magneziu). n prezenaatractanilor se mrete deplasarea bacteriilor n linie dreapt i se micoreaz numrul de

rostogoliri.Substanele chimiotactic negative (repelente) determin o deplasare a bacteriilor n sensul gradientului de concentraie, spre zone n care concentraiasubstanelor respective este mic. Ele sunt reprezentate de substane nocive pentrubacterii (produse de excreie, alcooli, acizi grai, ioni ai metalelor grele). n prezenarepelenilor se micoreaz deplasarea bacteriilor n linie dreapt i se mrete frecvenarostogolirilor. Din punct de vedere ecologic, mobilitatea bacteriilor este foarte importantn natur, deoarece asigur supravieuirea bacteriilor. Ea le ofer bacteriilor posibilitateade a se deplasa spre regiuni n care condiiile de existen sunt favorabile.

PiliiPilii sunt apendici fi1amentoi neflagelari, a cror sintez este codificat de gene

localizate pe plasmide. Aceste plasmide se numesc "plasmide de sex" sau conjugoni. Celulelepurttoare de pili au capacitatea de a dona material genetic celulelor lipsite de pili. Numrulpililor este de aproximativ 1 - 10/celul, au lungimea de aproximativ 20m, iar diametrul de 6 -15nm la exterior i 2,5nm la interior. Pilii sunt alctuii din molecule identice de pilin, care sesintetizeaz n celul, este transferat n lumenul pilului i este asamblat dup o simetrie helicalla extremitatea liber a pilului.

Celulele care poseda pili sunt considerate celule "mascule". Pilii pot fi ndeprtaimecanic prin agitare. Capacitatea de sintez a pilinei se pierde odat cu pierderea plasmidei desex i este redobndit odat cu rectigarea plasmidei.

Rolul pililorPrezena pililor este asociat cu procesul de conjugare bacterian, fiind implicai n

transferul de material genetic de la celula donoare la celula receptoare. Rolul pililor n conjugareeste argumentat de faptul c pierderea pililor este nsoit de pierderea capacitii de conjugare a

bacteriilor.Fimbriile

Fimbriile sunt structuri de tipul apendicelor filamentoase drepte i rigide, mai scurte imai subiri dect flagelii. Sinteza componentelor fimbriilor este codificat de gene situate pecromozomul bacterian.

Fimbriile pot fi pn la 1000/celul. Lungimea lor este variabil (1 - 20m), iar diametruleste cuprins ntre 3 - 15/m. Dac sunt numeroase, au o dispoziie pericelular. Fimbriile suntalctuite din molecule de fimbrilin aezate dup o simetrie helical, determinnd o structurtubular.

O bacterie posed cteva tipuri de fimbrii, n funcie de grosime, lungime, specificitateantigenic. Fimbriile sunt comune la bacteriile enterice i nu se ntlnesc la bacteriile Grampozitive.

Semnificaia biologic a fimbriilorSemnificaia biologic a fimbriilor nu este nc bine precizat. Ele sunt considerate

structuri adaptative, cu rolul de a mri suprafaa de contact a bacteriei cu mediul nconjurtor,fiind utilizate pentru absorbia nutrienilor.

Fimbriile favorizeaz asocierile dintre celule, formndu-se astfel pelicule fine (filme) debacterii la suprafaa apei, asigurnd condiii bune de aerare pentru bacteriile aerobe i condiii deluminozitate pentru cele fotosintetizante.


32/69

CURS 4CRETEREA I MULTIPLICAREA BACTERIILOR

Ca rezultat al metabolismului de sintez, bacteriile cresc prin formarea de noiconstitueni celulari, dup care se multiplic. Creterea i multiplicarea bacterian

prezint anumite particulariti, ca urmare a intensitii deosebite a metabolismuluibacterian i a reglrii lui perfecte.Studiul creterii i multiplicrii bacteriene este important din punct de vedere

teoretic, pentru a explica dinamica, mecanismul i factorii care influeneaz acesteprocese, dar i din punct de vedere practic, pentru utilizarea eficient a bacteriilor nbiotehnologie (pentru obinerea de biomas, produi de fermentaie, produi secundari demetabolism).

Creterea bacteriilorCreterea bacteriilor reprezint mrirea coordonat a tuturor constituenilor

celulari. Ea este rezultatul sintezei specifice i echilibrate, pornind de la substanelenutritive din mediu, a unor compui de baz, care sunt ulterior asamblai pentru a forma

copii fidele ale constituenilor celulari. Specificitatea creterii este determinat deintervenia unor mecanisme de control genetic.Procesul creterii depinde de natura i concentraia substanelor nutritive din

mediu, precum i de aprovizionarea continu a celulei cu energia necesar reaciilor desintez.

Mrirea masei totale a celulei bacteriene nu reflect ntotdeauna creterea normala celulei, deoarece ea poate rezulta prin sinteza i acumularea de substane de rezerv,care nu sunt specifice creterii sau prin sporirea accentuat a coninutului n ap.

Creterea celulei bacteriene se realizeaz prin adugarea de constitueni noi laperetele celular rigid, care are loc n moduri diferite:

- polar;

- bipolar;- ecuatorial, n zona septului de diviziune;- intercalar, prin intususcepiune, n zone specifice de cretere;- prin depunere pe suprafaa intern a peretelui celular.

Creterea bacteriilor se realizeaz prin depunerea de substane noi uni-, bi- sautridimensional. De obicei creterea bacteriilor cilindrice se face n sensul axuluilongitudinal, iar celulele sferice cresc n sensul celor trei dimensiuni.Creterea bacteriilor nu se face la infinit, ci doar pn la un moment critic, n carecreterea este ntrerupt i este urmat de diviziunea celular. Mecanismul ntreruperii procesului de cretere nu este pe deplin cunoscut. Se admite ipoteza c activitateanormal a celulei bacteriene este urmarea unui raport echilibrat ntre volumul celulei bacteriene (care reflect masa celular ce consum nutrienii i produce catabolii) isuprafaa celulei (aria prin care se realizeaz schimburile cu mediul extracelular, careconstau n absorbia nutrienilor i eliminarea unor produi de catabolism). n cursulcreterii celulei, acest raport echilibrat se modific n sensul diminurii suprafeei (carecrete cu o rat ptratic, n timp ce volumul crete cu o rat cubic), astfel nct aportulde substane nutritive devine insuficient i inadecvat necesitilor metabolice ale celulei.Se ajunge astfel la momentul critic, ce declaneaz diviziunea celular, care restabileteraportul echilibrat ntre suprafaa i volumul celulei bacteriene.


33/69

Multiplicarea bacteriilorMultiplicarea bacteriilor se realizeaz prin patru mecanisme: diviziune direct

(simpl), nmugurire, fragmentare i prin producerea de spori.

Diviziunea direct (izomorf)Este forma cea mai rspndit i cea mai bine cunoscut de multiplicare a

bacteriilor. Ea const n scindarea celulei mam, ajuns la punctul critic de cretere, ndou celule fiice surori, cel mai adesea identice.La bacteriile cilindrice i spiralate diviziunea se face ntr-un plan transversal,

perpendicular pe axul longitudinal al celulei, i numai excepional, la unii spirili, serealizeaz dup un plan longitudinal. Cocii se divid dup unul, dou sau trei planuri,perpendiculare unul pe cellalt, fcnd posibil gruparea celulelor n diplococi, tetrad,sarcin.

n general, diviziunea evolueaz n trei etape distincte:- formarea unei membrane ce separ protoplatii ce vor forma celulele fiice;- sinteza peretelui celular pe suprafaa membranei respective sau formarea unui sept

transversal prin creterea spre interior a peretelui celular periferic;- separarea celulelor rezultate n urma diviziunii.

Exceptnd situaiile anormale, (care se finalizeaz cu formarea unor minicelulesferice, lipsite de ADN, ca urmare a localizrii anormale a situsului de diviziune),bacteriile fr nucleu apar extrem de rar. Acest fapt sugereaz existena unei legturiobligatorii ntre replicarea ADN-ului i diviziunea celulei, precum i existena unuimecanism de control, care permite ca diviziunea s aib loc doar atunci cnd n celulamam exist doi nuclei noi, care vor fi separai n cele dou celule fiice.


34/69

n procesul de diviziune celular are loc nti replicarea ADN-ului, apoi formareaseptului de diviziune. Aceast corelaie a fost studiat laEscherichia coli, la care timpulde apariie a unei noi generaii este de 45 minute.

- timpul 0 informaia genetic este reprezentat de un singur cromozom bacterian;- timpul 18 min. ADN-ul cromozomal este parial replicat;

- timpul 20 min. ncepe migrarea celor doi cromozomi obinui prin replicarectre extremitile celulei;- timpul 25 min. segregarea informaiei genetice a avut deja loc, cresc membrana

plasmatic i peretele celular n spaiul dintre cele dou molecule de ADN;- timpul 30 min. ncepe formarea septului transversal de diviziune;- 35 38 min. cele dou celule fiice, fiecare cu cte un nucleosom propriu, sunt

n situaia de a se separa;- timpul 45 min. are loc separarea celor dou celule fiice nou formate.

Cercetrile ulterioare ale corelaiei dintre replicarea ADN-ului bacterian i ritmulde diviziune au scos n eviden particulariti ale acestui fenomen. Acestea se refer laacumularea unei proteine iniiator, capabil s declaneze ciclul de replicare a

cromozomului, ntr-un ritm care depinde de condiiile de mediu, dar i la faptul c ngeneral timpul de replicare a cromozomului este fix, la Escherichia coli durnd 20minute.

Dinamica procesului de multiplicare bacterian n culturi

Culturile bacteriene sunt de dou tipuri: continue i discontinue.Culturile continue sunt cele n care mediul de cultur este rennoit permanent cu

o anumit rat, o parte din masa bacterian format fiind ndeprtat n acelai timp dincultur, cu aceeai rat. Aceste culturi se realizeaz n aparate speciale i asigur oconcentrae constant de celule n cultur (dup principiul turbidostatului) i o

concentraie constant a substanelor chimice din mediu (dupprincipiul chemostatului).Culturile discontinue sunt cele obinute ntr-un mediu de cultur nennoit, nvase nchise. Se pot realiza n dou variante: culturi asincrone i culturi sincrone.Culturile sincrone sunt cele n care majoritatea bacteriilor se multiplic n acelai timp.Culturile asincrone sunt cele n care bacteriile se multiplic n momente diferite.

Culturile obinute n laborator n mod curent sunt culturi discontinue asincrone.Acestea prezint urmtoarele particulariti:

mediul de cultur nu este rennoit pe timpul cultivrii, fiind ntr-un volum fixpe ntreaga durat a obinerii culturii;

compoziia chimic a mediului se schimb pe parcursul formrii culturii(substanele nutritive sunt consumate, se acumuleaz produi de catabolism,

se modific pH-ul, ); numrul de celule viabile este variabil, la nceput crescnd progresiv, ulteriorscznd datorit mbtrnirii i morii celulelor;

ritmul de diviziune este inegal, la nceput, cnd populaia bacterian estetnr i condiiile de mediu sunt optime, fiind mai mare, ulterior scznd;

vrsta celulelor bacteriene este diferit; numrul de generaii este limitat, datorit condiiilor de mediu fixe.


35/69

Procesul multiplicrii bacteriilor n culturi discontinue asincrone evolueaz ncteva faze succesive:

- faza de lag (de laten, de cretere bacterian 0) este cuprins ntre momentul iniieriiculturii i nceperea multiplicrii bacteriene; numele ei vine de la to lag(engl.) = a

ntrzia; numrul celulelor bacteriene din inoculul iniial rmne relativ neschimbat;dei considerat faz de laten, este n realitate o faz activ, n care celulele sepregtesc pentru multiplicarea ce va urma (i refac structurile i sistemele enzimaticenecesare, cresc n dimensiuni, prezint un metabolism intens). Aceast faz are odurat diferit n funcie de vrsta inoculului folosit: dac inoculul provine dintr-ocultur tnr, faza de laten este scurt; dac inoculul provine dintr-o cultur maiveche sau aflat n condiii de mediu total diferite de mediul cel nou, faza de lateneste de mai lung durat, celulele fiind ntr-o faz activ de adaptare la noile condiiide cultivare.

- faza de accelerare const n iniierea multiplicrii bacteriene ntr-un ritm progresiv,

care determin i numele fazei;- faza de cretere logaritmic (exponenial) este faza n care multiplicarea serealizeaz cu un ritm constant i maxim, populaia bacterian practic dublndu-se lafiecare diviziune; celulele au o mrime uniform, mai mare dect a celulelor normale,caracteristice speciei, cu citoplasm omogen, bogat n ARN, cu sinteze proteiceintense, fr materiale de rezerv. Acest stadiu corespunde celulelor bacteriene tinere,potrivite pentru cercetarea de laborator;

- faza de ncetinire este aceea n care ritmul de multiplicare este ncetinit, datoritcondiiilor de mediu. Unul dintre factorii nutritivi eseniali din mediul de culturdevine limitant, fiind epuizat treptat i devenind insuficient;

- faza staionar a creterii este caracterizat printr-un numr de celule viabile maximi constant pentru o perioad de timp care depinde de specia bacterian; se considerc n timp ce unele celule bacteriene mor, dispariia lor este compensat demultiplicarea lent a altor celule, astfel nct, n ansamblu, numrul de celule viabileeste acelai. Aceast faz corespunde celulelor bacteriene mature, cu morfologieconsiderat normal, tipic unei specii date; celulele din aceast faz se folosesc pentru coloraii. Spre sfritul fazei staionare ncep s apar primele incluziibacteriene, vacuole i chiar spori;

- faza de nceput al declinului este aceea n care numrul celulelor viabile ncepe sscad ca rezultat al morii unora dintre celule; ulterior scade i densitatea celular,deoarece intervin procese de autoliz, produse de enzime proteolitice endogene;

- faza de declin i moarte celular este faza n care se intensific reducerea numruluide celule viabile i fenomenele de autoliz bacterian; este foarte variabil ca durat,de la 24 48 ore pn la sptmni i chiar luni de zile; celulele bacteriene au omorfologie alterat, apar forme filamentoase, spiralate, ramificate, necaracteristicespeciei; celulele au afinitate pentru coloranii acizi, conin substane de rezerv, sentlnesc muli spori.


36/69

Viteza de multiplicare a celulelor bacteriene se msoar prin durata unei generaiii se numete timp de generaie. El este intervalul de timp scurs ntre dou diviziunisuccesive. n general, acest timp este mai mic la bacterii dect la macroorganisme,existnd bacterii care se multiplic foarte rapid (Bacillus subtilis 9-10 minute), altelemai puin rapid (Lactobacillus 100 minute), iar altele foarte lent (Mycobacteriumtuberculosis 1600 minute).

Dei au un potenial imens de multiplicare, bacteriile nu i-l realizeaz n practic,ntruct intervin factori de mediu nefavorabili, ce limiteaz acumularea unui numr imensde celule bacteriene. De exemplu, n condiii aerobe obinuite de cultur n laborator,n

Documents

48347858-Microbiologie