C III - Cresterea Si Multiplicarea Bacteriilor

12
Cresterea si multiplicarea bacteriilor Cresterea bacteriilor - reprezintă mărirea coordonată a tuturor constituenţilor celulari; - e rezultatul sintezei specifice si echilibrate a unor compusi de bază, asamblaţi ulterior pentru a forma cópii fidele ale constituenţilor celulari;u - specificitatea cresterii este determinată de intervenţia unor mecanisme de control genetic; - depinde de natura si concentraţia substanţelor nutritive din mediu, precum si de aprovizionarea continuă a celulei cu energia necesară reacţiilor de sinteză; - mărirea masei totale a celulei bacteriene nu reflectă întotdeauna cresterea normală a celulei, deoarece ea poate rezulta prin sinteza si acumularea de substanţe de rezervă (care nu sunt specifice cresterii) sau prin sporirea accentuată a conţinutului în apă. - se realizează prin adăugarea de constituenţi noi (uni-, bi- sau tridimensional) la peretele celular rigid, care are loc în moduri diferite: - polar; - bipolar; - ecuatorial, în zona septului de diviziune; - intercalar, prin intususcepţiune, în zone specifice de crestere; - prin depunere pe suprafaţa internă a peretelui celular. De obicei cresterea bacteriilor cilindrice se face în sensul axului longitudinal, iar celulele sferice cresc în sensul celor trei dimensiuni.

description

...

Transcript of C III - Cresterea Si Multiplicarea Bacteriilor

Cresterea si multiplicarea bacteriilor

Cresterea si multiplicarea bacteriilor

Cresterea bacteriilor- reprezint mrirea coordonat a tuturor constituenilor celulari;

- e rezultatul sintezei specifice si echilibrate a unor compusi de baz, asamblai ulterior pentru a forma cpii fidele ale constituenilor celulari;u

- specificitatea cresterii este determinat de intervenia unor mecanisme de control genetic;

- depinde de natura si concentraia substanelor nutritive din mediu, precum si de aprovizionarea continu a celulei cu energia necesar reaciilor de sintez;

- mrirea masei totale a celulei bacteriene nu reflect ntotdeauna cresterea normal a celulei, deoarece ea poate rezulta prin sinteza si acumularea de substane de rezerv (care nu sunt specifice cresterii) sau prin sporirea accentuat a coninutului n ap.- se realizeaz prin adugarea de constitueni noi (uni-, bi- sau tridimensional) la peretele celular rigid, care are loc n moduri diferite:

- polar;

- bipolar;

- ecuatorial, n zona septului de diviziune;

- intercalar, prin intususcepiune, n zone specifice de crestere;

- prin depunere pe suprafaa intern a peretelui celular.

De obicei cresterea bacteriilor cilindrice se face n sensul axului longitudinal, iar celulele sferice cresc n sensul celor trei dimensiuni.

Cresterea bacteriilor nu se face la infinit, ci pn la un moment critic, n care cresterea este ntrerupt si se declanseaz diviziunea celular.

Se admite ipoteza c activitatea normal a celulei bacteriene este urmarea unui raport echilibrat ntre volumul celulei bacteriene (care reflect masa celular ce consum nutrienii si produce cataboliii) si suprafaa celulei (aria prin care se realizeaz schimburile cu mediul extracelular, care constau n absorbia nutrienilor si eliminarea unor produsi de catabolism).

n cursul cresterii celulei, acest raport se modific n sensul diminurii suprafeei (care creste cu o rat ptratic, n timp ce volumul creste cu o rat cubic), astfel nct aportul de substane nutritive devine insuficient si inadecvat necesitilor metabolice ale celulei. Diviziunea celular restabileste raportul echilibrat ntre suprafaa si volumul celulei bacteriene.

Multiplicarea bacteriilorDiviziunea direct (izomorf)

- forma cea mai rspndit si cea mai bine cunoscut de multiplicare a bacteriilor; const n scindarea celulei mam, ajuns la punctul critic de crestere, n dou celule fiice surori, cel mai adesea identice;

- la bacteriile cilindrice si spiralate diviziunea se face n plan transversal, perpendicular pe axul longitudinal al celulei, si numai excepional, la unii spirili, se realizeaz 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 protoplastii ce vor forma celulele fiice;

- sinteza peretelui celular pe suprafaa membranei respective sau formarea unui sept transversal prin cresterea spre interior a peretelui celular periferic;

- separarea celulelor rezultate n urma diviziunii.

Dinamica procesului de multiplicare bacterian n culturi

Culturile bacteriene sunt de dou tipuri: continue si discontinue.- Culturile continue - mediul de cultur este rennoit permanent cu o anumit rat, o parte din masa bacterian format fiind ndeprtat n acelasi timp din cultur, cu aceeasi rat; se realizeaz n aparate speciale, asigur o concentraie constant de celule n cultur (dup principiul turbidostatului) si o concentraie constant a substanelor chimice din mediu (dup principiul chemostatului);- Culturile discontinue - obinute ntr-un mediu de cultur nennoit, n vase nchise, se pot realiza n dou variante:

- culturi sincrone - n care majoritatea bacteriilor se multiplic n acelasi timp

- culturi asincrone - n care bacteriile se multiplic n momente diferite.

Culturile obinute n laborator n mod curent sunt culturi discontinue asincrone, cu urmtoarele particulariti:- mediul de cultur nu este rennoit pe timpul cultivrii, fiind n volum fix pe ntreaga durat a obinerii culturii;

- compoziia chimic a mediului se schimb pe parcursul formrii culturii (substanele nutritive sunt consumate, se acumuleaz produsi de catabolism, se modific pH-ul);

- numrul de celule viabile este variabil, la nceput crescnd progresiv, ulterior scznd datorit mbtrnirii si morii celulelor;

- ritmul de diviziune este inegal, la nceput, cnd populaia bacterian este tnr si 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.Faze succesive:- faza de lag (de laten, de crestere bacterian 0) - ntre momentul iniierii culturii si nceperea multiplicrii bacteriene; (to lag (engl.) = a ntrzia); numrul celulelor bacteriene din inoculul iniial rmne relativ neschimbat; faz activ, n care celulele se pregtesc pentru multiplicarea ce va urma (si refac structurile si sistemele enzimatice necesare, cresc n dimensiuni, prezint un metabolism intens); are o durat diferit n funcie de vrsta inoculului folosit:

- dac inoculul provine dintr-o cultur tnr, faza de laten este scurt;

- dac inoculul provine dintr-o cultur mai veche sau aflat n condiii de mediu total diferite de mediul cel nou, faza de laten este de mai lung durat, celulele fiind ntr-o faz activ de adaptare la noile condiii de cultivare.- faza de accelerare - iniierea multiplicrii bacteriene ntr-un ritm progresiv, care determin si numele fazei;- faza de crestere logaritmic (exponenial) - multiplicarea se realizeaz cu un ritm constant si maxim, populaia bacterian practic dublndu-se la fiecare diviziune; celulele au dimensiuni uniforme, mai mari

dect ale celulelor normale, caracteristice speciei, cu citoplasm omogen, bogat n ARN, cu sinteze proteice intense, fr materiale de rezerv celule bacteriene tinere, potrivite pentru cercetarea de laborator;- faza de ncetinire - ritmul de multiplicare este ncetinit, datorit condiiilor de mediu, unul dintre factorii nutritivi eseniali din mediul de cultur devine limitant, fiind epuizat treptat;- faza staionar a cresterii - numr de celule viabile maxim si constant pentru o perioad de timp, care depinde de specia bacterian; n timp ce unele celule bacteriene mor, dispariia lor este compensat de multiplicarea lent a altor celule, astfel nct, n ansamblu, numrul de celule viabile este acelasi; celule bacteriene mature, cu morfologie considerat normal, tipic unei specii date, folosite pentru coloraii; spre sfrsitul fazei staionare ncep s apar primele incluzii bacteriene, vacuole si chiar spori;- faza de nceput al declinului - numrul celulelor viabile ncepe s scad ca rezultat al morii unora dintre celule; ulterior scade si densitatea celular, deoarece intervin procese de autoliz, produse de enzime proteolitice endogene;- faza de declin si moarte celular - se intensific reducerea numrului de celule viabile si fenomenele de autoliz bacterian; este foarte variabil ca durat, de la 24 48 ore pn la sptmni si chiar luni de zile; celulele bacteriene au o morfologie alterat, apar forme filamentoase, spiralate, ramificate, necaracteristice speciei, cu afinitate pentru coloranii acizi, conin substane de rezerv, se ntlnesc muli spori.

Diviziunea direct (izomorf)

Viteza de multiplicare a celulelor bacteriene se msoar prin durata unei generaii si se numeste timp de generaie - intervalul de timp scurs ntre dou diviziuni succesive.

n general, acest timp este mai mic la bacterii dect la macroorganisme, unele bacterii se multiplic foarte rapid (Bacillus subtilis: 9-10 minute), altele mai puin rapid (Lactobacillus: 100 minute), iar altele foarte lent (Mycobacterium tuberculosis: 1600 minute).

Desi au un potenial imens de multiplicare, bacteriile nu si-l realizeaz n practic, ntruct intervin factori de mediu nefavorabili, ce limiteaz acumularea unui numr imens de celule bacteriene

Un coc cu o greutate de 5x10-13 g, cu un timp de generaie de 20 minute, poate determina dup 132 de diviziuni formarea unei mase celulare cu greutatea de 6x1027g.

Multiplicarea prin nmugurire

- modalitate particular de reproducere, care const n separarea a dou celule asimetrice, ca rezultat al formrii de ctre celula mam a unei protuberane locale mai mici dect ea;- aceasta creeaz un spaiu nou, n care vor migra constituenii noii celule sau n care constituenii vor fi sintetizai de novo;

- bacteriile care nmuguresc prezint o mare diversitate taxonomic si sunt mai puin cunoscute; cele mai studiate aparin genurilor de bacterii prostecate: Rhodomicrobium, Rhodopseudomona etc., dar si genurilor de bacterii care nu sunt prostecate: Nitrobacter, Pasteuria etc.

Multiplicarea prin fragmentare

- Form de reproducere vegetativ, observat la multe actinomicete, cum sunt cele din genul Nocardia, Actinomyces.- n prima parte a ciclului celular are loc o crestere activ a masei celulare, sub forma unui miceliu, fr cresterea numrului de celule viabile.

- Ulterior, n faza staionar a cresterii, miceliul e supus unei fragmentri multiple, cu formarea unor septuri transversale;

- Urmeaz eliberarea unor celule cilindrice, scurte, egale, cu extremitile tiate drept si care vor ncepe s creasc si s dea nastere unui miceliu.

Multiplicarea prin spori

- Actinomicetele care au un miceliu nesegmentat se reproduc de obicei prin formare de exospori (spori de dispersare, de propagare).

- Fenomenul a fost mai bine studiat la Streptomyces coelicolor.

- Sporii sunt de tip asexuat, dispusi de regul pe hifele aeriene, n lanuri de diferite lungimi, sau n vezicule sporale numite sporangi.

PARTICULARITI ALE METABOLISMULUI BACTERIAN

Metabolismul = totalitatea reaciilor biochimice prin intermediul crora microorganismele preiau din mediu energie si nutrieni, pe care i folosesc n activitile lor fundamentale. Substanele pot fi folosite ca atare sau sub o form mai mult sau mai puin complex.

Caracteristic pentru metabolismul bacterian este reglarea lui perfect, supus legii economiei si optimalitii. Aceste principii asigur desfsurarea perfect reglat, corelat a activitii celulare, astfel nct beneficiul pentru celula bacterian s fie maxim.

Substanele din mediu sunt folosite n 4 scopuri fundamentale:

- producerea de energie;

- sinteza de constitueni celulari;

- cresterea celulei si desfsurarea normal a activitilor ei fiziologice;

- producerea de metabolii.

Sunt dou direcii fundamentale de evoluie a cilor metabolice:

- degradarea substanelor nutritive preluate din mediu, cu eliberare treptat de energie (deoarece o eliberare brusc de energie este duntoare celulei bacteriene, ducnd la distrugerea ei);

- folosirea energiei eliberate n procesele de biosintez a constituenilor celulari (cale diametral opus celei dinti); excesul de energie se acumuleaz n legturile macroergice ale moleculelor de ATP, ce reprezint acumulatorul universal de energie.

Tipuri de ci metabolice:

Cile catabolice - ansamblul cilor biochimice prin care se realizeaz degradarea nutrienilor preluai din mediu, cu eliberare de energie, n 3 faze:

- macromoleculele nutrienilor sunt degradate pn la subunitile lor de construcie cu eliberarea aproximativ a 1% din energia nutrienilor, care se pierde sub form de cldur;

- moleculele rezultate n prima faz sunt degradate n continuare, cu formarea unui numr limitat de molecule mai mici, ce reprezint compusi intermediari ai cii centrale; se elibereaz aproximativ 1/3din energia existent n compusii respectivi;- n aerobioz reaciile evolueaz cu metabolizarea complet a compusilor intermediari pn la CO2 si H2O, cu eliberare masiv de energie, care este apoi nmagazinat n ATP; n anaerobioz reaciile evolueaz dup modelul reaciilor fermentative, caz n care eliberarea de energie este redus.

Cile anabolice - utilizarea compusilor intermediari ai cii centrale pentru sinteza de constitueni proprii celulei bacteriene, proces care evolueaz n faze succesive;

- se sintetizeaz macromolecule de depozit, adic polimeri uniformi, formai prin legarea unor monomeri n lanuri de diferite dimensiuni.

Cile amfibolice - cile metabolice centrale, care ndeplinesc n acelasi timp dou funcii: de eliberare de energie si de furnizare a unor precursori necesari biosintezei.

Cile catabolice si cele anabolice se desfsoar simultan n celula bacterian. Caracterul amfibolic este reprezentat de faptul c la anumite niveluri energia eliberat este utilizat la biosinteze, iar la alte niveluri intermediare se menine calea catabolic ce duce la degradarea compusilor intermediari.

Cile anaplerotice (ci auxiliare sau de reaprovizionare) compusii intermediari ai cilor centrale sunt n permanen ndeprtai din celul, pe de o parte n cursul degradrii progresive enzimatice, cu eliberare de energie, n catabolism, iar pe de alt parte prin utilizarea lor n diferite biosinteze ce au loc n celul.

Pentru buna funcionare a acestor ci metabolice este necesar o reaprovizionare permanent cu intermediarii respectivi. n urma epuizrii materialului de la care s-a pornit, calea metabolic este frecvent reaprovizionat cu diferite substane provenite din alte ci metabolice, catalizate enzimatic, ce se desfsoar simultan n celula bacterian. Cile metabolice auxiliare asigur astfel completarea deficitului cilor metabolice principale, prin aprovizionarea cu diversi compusi si permit funcionarea ndelungat a acestora.

Natura si diversitatea nutrienilor folosii n metabolismul bacterian

Microorganismele prezint o capacitate unic de degradare a unor substane complexe din mediu si de a sintetiza anumii metabolii.

Luate ca grup, bacteriile sunt cele mai omnivore organisme din natur, pot realiza metabolismul folosind numeroase si diverse surse de substane nutritive, ncepnd cu azotul molecular si sulful, pn la cele mai complexe substane organice.

Aceste particulariti explic faptul c, desi n natur au fost depuse numeroase produse de uzur si de excreie, cadavre, reziduuri, acestea nu s-au acumulat, pentru c au fost descompuse de ctre microorganisme si reintroduse n circuitul elementelor biogene.

n acelasi timp, exist unele microorganisme care pot utiliza doar un numr limitat de nutrieni (unele bacterii patogene au nevoie de snge n mediul de cultur).

Plasticitatea metabolismului microorganismelor

Bacteriile au capacitatea de a folosi alternativ diferite surse de azot si de carbon, n funcie de condiiile de mediu, se adapteaz la tipul si cantitatea de nutrieni existeni n mediu.Diversitatea mecanismelor enzimatice si a produsilor de metabolism

Diversitatea cilor metabolice se manifest n metabolismul bacterian prin existena unor ci alternative care pot fi folosite pentru un anumit compus. n funcie de condiiile de mediu si cele intracelulare, celula bacterian poate opta pentru una dintre cile prin care un anumit substrat poate fi degradat (de exemplu glucoza poate fi degradat prin trei ci metabolice diferite).Intensitatea deosebit a metabolismului bacterian

Metabolismul bacterian se caracterizeaz printr-o intensitate excepional n raport cu activitile omoloage de la organismele superioare.

Transportul substanelor prin membrana celulei bacteriene- difuzia pasiv - tip de transport nespecific, o trecere lent a substanelor de la exteriorul la interiorul celulei bacteriene si invers, fr consum de energie. Trecerea este determinat de concentraie, se realizeaz de la o concentraie mare la o concentraie mic; difuzia se opreste cnd concentraia se egalizeaz. Prin difuzie pasiv sunt transportate: apa, O2, CO2, acizii grasi, substanele liposolubile.- mecanisme de transport cu participarea unui transportor specific (carrier) o protein cu rolul de a fixa o anumit substan si de a o transporta, traversnd membrana plasmatic:

- difuzia facilitat - fr consum de energie, determinat de gradientul de concentraie, se realizeaz cu ajutorul unei proteine carrier. Trecerea se realizeaz de la o concentraie mare la una mic, pn la echilibrarea concentraiilor de o parte si de cealalt a membranei. Proteina transportor mreste viteza de difuzie a substanei n raport cu difuzia pasiv;

- transportul activ - se realizeaz cu consum de energie, mpotriva gradientului de concentraie, de la concentraie mic la concentraie mare; se produce o acumulare de substan n celula bacterian, care poate depsi de cteva mii de ori cantitatea din mediul extern;

- translocarea n grup - se realizeaz cu consum de energie; substana transportat sufer o modificare chimic la trecerea prin membran, astfel c cea din interiorul celulei difer de cea iniial din mediu.

Tipuri de respiraie microbian

Dup comportarea fa de oxigenul atmosferic, se pot descrie 4 tipuri de microorganisme:

- microorganisme strict aerobe, au ca tip de respiraie celular respiraia aerob; pentru a se dezvolta, aceste microorganisme au nevoie de oxigen molecular, folosindu-l ca acceptor final de electroni;Ex.: Mycobacterium tuberculosis

- microorganisme strict anaerobe, nu se pot dezvolta n prezena oxigenului; ele au nevoie de condiii de anaerobioz si ca tip de respiraie celular au fermentaia sau respiraia anaerob;

Ex.: Clostridium tetani

- microorganisme anaerobe, facultativ aerobe, au n general un metabolism de tip anaerob, dar pot tri si n prezena oxigenului molecular, caz n care prezint un metabolism aerob; tipul de respiraie celular este diferit, n funcie de prezena sau absena oxigenului (respiraie anaerob sau aerob);

Ex.: Escherichia coli, Streptoccoccus sp., Staphylococcus sp.

- icroorganisme microaerofile, au nevoie de o cantitate de oxigen mai mic dect n atmosfer pentru a se dezvolta, concentraiile mari de oxigen fiind nocive pentru ele; tipul de respiraie celular este o respiraie cu tendin spre fermentaie.

Ex.: Leptospira sp., Spirochaeta sp.

Tipuri de nutriie la microorganisme

Criteriile dup care se poate caracteriza nutriia microorganismelor sunt:

- natura sursei de carbon si azot si capacitatea de sintez a metaboliilor

eseniali, n funcie de care microorganismele pot avea nutriie:

- autotrof

- heterotrof

- sursa de energie, n funcie de care microorganismele pot avea nutriie:

- fototrof

- chemotrof.

Autotrofia - capacitatea de sintez a tuturor metaboliilor eseniali pornind de la substane anorganice simple ca surs de carbon si azot (CO2, NH3, NO3-, NO2-).

Heterotrofia - capacitatea de a sintetiza metabolii eseniali pornind de la substane organice preformate, care joac rol de surs de carbon si azot.

Fototrofia - capacitatea de a sintetiza metaboliii eseniali cu ajutorul energiei luminoase; dup natura donatorilor de protoni sau electroni, microorganismele fototrofe se mpart n:

- microorganisme fotolitotrofe care folosesc ca donor de protoni sau electroni substane anorganice oxidabile (H2O, H2S, S, H2); se numesc si fotoautotrofe;

- microorganisme fotoorganotrofe care folosesc ca donor de protoni sau electroni substane organice oxidabile; se numesc si fotoheterotrofe;

Chemotrofia - capacitatea de a sintetiza metaboliii eseniali cu ajutorul energiei chimice nmagazinat n legturile chimice ale substanelor. Microorganismele chemotrofe se numesc si chemosintetizante. Dup natura donatorilor de protoni sau electroni, microorganismele chemotrofe se mpart n:

- microorganisme chemolitotrofe care folosesc ca donor de protoni sau electroni substane anorganice oxidabile; se numesc si chemoautotrofe;

- microorganisme chemoorganotrofe care folosesc ca donor de protoni sau electroni substane organice oxidabile; se numesc si chemoheterotrofe.