NUTRINUTRIIA BACTERIANIA BACTERIAN

Necesiti nutritive

Difuzia i transportul substanelor prin membranele celulare

Xanthobacter autotrophicus

NECESITNECESITI NUTRITIVEI NUTRITIVEPentru crePentru cretere tere i multiplicare microorganismele i multiplicare microorganismele necesit prezennecesit prezena a n mediul n mediul nconjurtor a unor nconjurtor a unor substansubstane nutritive necesare sintezei constituene nutritive necesare sintezei constituenilor ilor celulari, celulari, activitactivitiiii enzimatice enzimatice i producerii de i producerii de energie. energie.

Elementele biogene pot fi Elementele biogene pot fi mprmprite ite n dou n dou categorii: categorii:

-- bioelemente majorebioelemente majore (macroelemente sau (macroelemente sau macronutrienmacronutrienii))

-- bioelemente minorebioelemente minore (microelemente sau (microelemente sau micronutrienmicronutrienii).).

Macroelemente (Macroelemente (macronutrienmacronutrienii))

Bacteriile au nevoie de toate elementele care Bacteriile au nevoie de toate elementele care intr intr n compozin compoziia chimic a celuleiia chimic a celulei: O: O, H, H, C, C (sub (sub form de COform de CO22 sau compusau compui organici)i organici), N, N (sub (sub form mai mult sau mai puform mai mult sau mai puin oxidat sau in oxidat sau redusredus), ), P (P (sub form de fosfasub form de fosfai), S (i), S (n stare n stare oxidat sau redusoxidat sau redus) ) i o serie de elemente i o serie de elemente minerale (K, Mg, Na, minerale (K, Mg, Na, ClCl, , FeFe, Ca), , Ca), indispensabile indispensabile menmeninerii strii fizicoinerii strii fizico--chimice a celuleichimice a celulei. .

MacroelementeleMacroelementele sunt necesare sunt necesare n concentran concentraii ii mari mari i i ndeplinesc funcndeplinesc funcii esenii eseniale iale n n metabolismul microbian. metabolismul microbian.

CarbonulCarbonul

Reprezint aproximativ Reprezint aproximativ 50 % 50 % din greutatea din greutatea uscat a bacteriiloruscat a bacteriilor, fiind elementul major , fiind elementul major dintre macroelemente. dintre macroelemente.

Bacteriile pot asimila compuBacteriile pot asimila compui organici cu un i organici cu un numr variat de atomi de Cnumr variat de atomi de C. .

Microorganismele pot utiliza aminoacizii, acizii Microorganismele pot utiliza aminoacizii, acizii organici, acizii graorganici, acizii grai, glucidele, bazele azotate, i, glucidele, bazele azotate, compucompuii aromatici ii aromatici i i n cantitn cantiti mici i mici i ali ali i compucompui organici. i organici.

Unele procariote sunt Unele procariote sunt autotrofeautotrofe, c, capabile s apabile s foloseasc COfoloseasc CO22 ca unic sau principal surs ca unic sau principal surs de carbon celular, de carbon celular, n timp ce altele sunt n timp ce altele sunt heterotrofeheterotrofe, la care substan, la care substanele organice ele organice servesc ca surs de C pentru biosinteze servesc ca surs de C pentru biosinteze i i producerea de energie.producerea de energie.

NutriNutriia heterotrof poate fi simplia heterotrof poate fi simpl, ca la , ca la EscherichiaEscherichia colicoli, c, care poate fi cultivat pe are poate fi cultivat pe medii de cultur ce conmedii de cultur ce conin numai glucoz in numai glucoz i i sruri mineralesruri minerale, s, sau complexau complex, ca la , ca la LactobacillusLactobacillus spsp., care are nevoie de o serie ., care are nevoie de o serie de compude compui organici, inclusiv de vitamine.i organici, inclusiv de vitamine.

Spre deosebire de autotrofe, caSpre deosebire de autotrofe, capabile s pabile s sintetizeze constituensintetizeze constituenii organici, pornind de ii organici, pornind de la compula compui anorganici simpli,i anorganici simpli, heterotrofia heterotrofia implic incapacitatea de sintez a unor implic incapacitatea de sintez a unor metabolimetabolii eseni eseniali care obligatoriu trebuie iali care obligatoriu trebuie s se regseasc s se regseasc n mediu ca substann mediu ca substane e preformatepreformate..

Unele microorganisme heterotrofe au nevoi Unele microorganisme heterotrofe au nevoi specifice specifice i nu se pot dezvolta dect i nu se pot dezvolta dect n n prezenprezena unui singur compus organic,a unui singur compus organic, care le care le acoper att nevoile energetice ct acoper att nevoile energetice ct i pe i pe cele cele biosinteticebiosintetice. .

De exemplu, microorganismele De exemplu, microorganismele celulozoliticecelulozolitice utilizeaz numai celulozautilizeaz numai celuloza, bacteriile , bacteriile metilotrofemetilotrofe folosesc numai metanul, folosesc numai metanul, metanolul, metanolul, metilaminametilamina. .

Bacteriile din genul Bacteriile din genul PseudomonasPseudomonas folosesc folosesc peste 200 compupeste 200 compui organici cu C i organici cu C (carbohidra(carbohidrai, polialcooli, acizi i, polialcooli, acizi aminiciaminici, , aciziacizigragrai, compui, compui aromatici etc.), care pot fi i aromatici etc.), care pot fi folosifolosii ca precursori ai unor compui ca precursori ai unor compui i organici, pe careorganici, pe care nu sunt capabili s nu sunt capabili s--i i sintetizeze. sintetizeze.

AzotulAzotulDup carbonDup carbon, a, azotul reprezint un element zotul reprezint un element important, fiind necesar important, fiind necesar n cantitn cantiti mari,i mari, deoarece reprezint aproximativ deoarece reprezint aproximativ 12 % 12 % din din greutatea uscat a celulei bacterienegreutatea uscat a celulei bacteriene. .

Azotul este elementul major din proteine, Azotul este elementul major din proteine, acizi nucleici acizi nucleici i ali ali constitueni constitueni celulari. i celulari.

Este prezent Este prezent n mod natural att n mod natural att n compun compuii ii organici ct organici ct i cei anorganici. i cei anorganici.

Cea mai mare cantitate de azot din natur se Cea mai mare cantitate de azot din natur se gsegsete te n compun compuii anorganici ca NOii anorganici ca NO22 sau sau n n diferite combinadiferite combinaii ca NHii ca NH33, nitra, nitrai sau nitrii sau nitrii. i.

Sursa preferat de azotSursa preferat de azot, u, utilizabil de tilizabil de majoritatea microorganismelor este NHmajoritatea microorganismelor este NH33. .

La microorganismele fixatoare de azot reduc La microorganismele fixatoare de azot reduc iniiniial N la NHial N la NH33, , nainte de a fi nainte de a fi ncorporat ncorporat n n produprodui organici. i organici.

Fosforul Fosforul este prezent este prezent n natur att sub n natur att sub form organic ct form organic ct i sub form de fosfai sub form de fosfai i anorganici. anorganici.

Intr Intr n structura acizilor nucleici, a n structura acizilor nucleici, a fosfolipidelorfosfolipidelor, a acizilor , a acizilor teichoiciteichoici, a , a coenzimelor coenzimelor i a i a nucleotidelornucleotidelor (ATP, GTP, (ATP, GTP, NADNAD++, FAD)., FAD).

Sulful Sulful este necesar pentru sinteza unor este necesar pentru sinteza unor aminoacizi (aminoacizi (cisteincistein, m, metioninetionin), a unor ), a unor vitamine (tiamina, biotina), a acidului lipoic vitamine (tiamina, biotina), a acidului lipoic i i coenzimei A. coenzimei A.

Sulful sufer transformri chimice Sulful sufer transformri chimice n naturn natur, , realizate realizate n exclusivitate cu ajutorul n exclusivitate cu ajutorul microorganismelor. microorganismelor.

De exemplu, De exemplu, multe microorganisme utilizeaz multe microorganisme utilizeaz sulful sub form anorganic de sulfasulful sub form anorganic de sulfai (SOi (SO4422--) ) sau sulfisau sulfii (HSi (HS--).).

Potasiul Potasiul este necesar tuturor este necesar tuturor microorganismelor, fiind un principal cation microorganismelor, fiind un principal cation anorganic (Kanorganic (K++) celular. ) celular.

Reprezint Reprezint cofactorcofactor al unor enzime implicate al unor enzime implicate n sinteza proteinelor.n sinteza proteinelor.

Magneziul Magneziul reprezint un cation celular reprezint un cation celular (Mg(Mg2+2+) important, ) important, cofactorcofactor al multor enzime al multor enzime (ex. (ex. kinazelekinazele). ).

Este prezent la nivelul pereEste prezent la nivelul pereilor celulari ilor celulari i a i a membranelor plasmatice. membranelor plasmatice.

Are un rol important Are un rol important n legarea enzimelor n legarea enzimelor de substraturi. de substraturi.

Intr Intr n constitun constituia ia clorofilelorclorofilelor..

Calciul Calciul este un important cation celular este un important cation celular (Ca(Ca2+2+), reprezentnd ), reprezentnd i un i un cofactorcofactor al al enzimelor. enzimelor.

Intr Intr n structura unor n structura unor exoenzimeexoenzime(amilaze, proteaze etc.) (amilaze, proteaze etc.) i a i a dipicolinatuluidipicolinatuluide calciu (care de calciu (care ndeplinendeplinete un rol te un rol important important n termorezistenn termorezistena sporilor).a sporilor).

Fierul joac un rol major Fierul joac un rol major n respiran respiraia celularia celular. .

Ionii feros Ionii feros i feric fac parte din structura unor i feric fac parte din structura unor purttori purttori redoxredox, cum sunt citocromii, , cum sunt citocromii, ferodoxineleferodoxinele i proteinele i proteinele FeSFeS, care sunt , care sunt implicate implicate n transportul electronilor. n transportul electronilor.

Cu toate cCu toate c, cei mai mul, cei mai muli compui compui anorganici ai i anorganici ai fierului sunt insolubili, numeroase fierului sunt insolubili, numeroase microorganisme produc factori specifici de microorganisme produc factori specifici de legare ai fierului numilegare ai fierului numii i sideroforisiderofori,, care care solubilizeaz fierul solubilizeaz fierul i i l transport l transport n interiorul n interiorul celulei. celulei.

Un grup important de Un grup important de sideroforisiderofori l reprezint l reprezint derivatele acidului derivatele acidului hidroxamichidroxamic. .

La La nceput, complexul nceput, complexul FeFe--hidroxamathidroxamat ajunge ajunge n interiorul celulei, apoi n interiorul celulei, apoi FeFe este eliberat iar este eliberat iar hidroxamatulhidroxamatul este eliminat din celul este eliminat din celul i utilizat i utilizat din nou pentru transportul fierului. din nou pentru transportul fierului.

Bacteriile cilindrice (Bacteriile cilindrice (EscherichiaEscherichia colicoli i i Salmonella Salmonella typhimuriumtyphimurium) produc ) produc sideroforisiderofori fenolici, cu o stfenolici, cu o structur complex numiructur complex numii i enterobactineenterobactine..

Microelemente (Microelemente (micronutrienmicronutrienii))

Rolul Rolul micronutrienmicronutrienilorilor n funcn funcionarea celulei ionarea celulei nu este chiar att de important ca nu este chiar att de important ca i i n cazul n cazul macronutrienmacronutrienilorilor. .

MicronutrienMicronutrieniiii ((ZnZn, , MnMn, Na, , Na, ClCl, , MoMo, Se, Co, , Se, Co, Cu, W Cu, W i Ni) sunt necesari i Ni) sunt necesari n cantitn cantiti foarte i foarte mici; unii (mici; unii (ZnZn i i MnMn) sunt bioelemente ) sunt bioelemente eseneseniale pentru toate microorganismele, iale pentru toate microorganismele, n n timp ce altimp ce alii (Se, ii (Se, MoMo, C, Co, o, Cu, WCu, W) j) joac un rol oac un rol important important n activitn activitile metabolice.ile metabolice.

Deoarece necesitDeoarece necesitile microorganismelor ile microorganismelor n n microelemente sunt mici, pentru cultivarea lor microelemente sunt mici, pentru cultivarea lor n n laborator nu este laborator nu este ntotdeauna necesar s se ntotdeauna necesar s se adauge aceste microelemente la mediile de adauge aceste microelemente la mediile de culturcultur. .

Chiar dac mediul de cultur conChiar dac mediul de cultur conine substanine substane e chimice cu o mare puritate, poatechimice cu o mare puritate, poate aprea aprea deficiendeficiena a n microelemente. n microelemente.

n aceste cazuri,n aceste cazuri, adugarea unei cantit adugarea unei cantiti mici i mici dintrdintr--o soluo soluie cu microelemente poate satisface ie cu microelemente poate satisface necesarul necesarul n metale al microorganismului n metale al microorganismului respectiv. respectiv.

Factori de creFactori de creteretere

Sunt substanSunt substane pe care microorganismele sunt e pe care microorganismele sunt incapabile s le sintetizeze incapabile s le sintetizeze n cursul n cursul metabolismului lor metabolismului lor i i n absenn absena crora a crora multiplicarea lor este imposibilmultiplicarea lor este imposibil. .

Nu sunt numai substanNu sunt numai substane indispensabile viee indispensabile vieii ii unor microorganisme (care nu se pot dezvolta unor microorganisme (care nu se pot dezvolta n lipsa lor)n lipsa lor), c, ci reprezint metabolii reprezint metabolii eseni eseniali iali necesari tuturor microorganismelor necesari tuturor microorganismelor

La unele microorganisme, factorii de creLa unele microorganisme, factorii de cretere tere sunt de origine endogensunt de origine endogen, astfel , astfel nct prezennct prezena a lor lor n mediu ca substann mediu ca substane e preformatepreformate nu este nu este necesar necesar ((microorganisme microorganisme prototrofeprototrofe). ).

Microorganismele care nu au capacitatea de a Microorganismele care nu au capacitatea de a sintetiza acesintetiza aceti metaboliti metabolii eseni eseniali nu pot tri iali nu pot tri dect dac mediul lor este suplimentat cu dect dac mediul lor este suplimentat cu factorul de crefactorul de cretere (tere (microorganisme microorganisme auxotrofeauxotrofe).).

Factorii de creFactorii de cretere sunt necesari bacteriilor tere sunt necesari bacteriilor n n concentraconcentraii infime ii infime i se comport ca i se comport ca vitaminele pentru organismul animal. vitaminele pentru organismul animal.

AceAceti factori existti factori exist, , n general, n general, n mediile n mediile obiobinuite pe baz de extract de carne sau nuite pe baz de extract de carne sau extract de extract de levurilevuri, d, dar trebuie adugaar trebuie adugai i n n mediile sintetice sau semisintetice.mediile sintetice sau semisintetice.

n funcn funcie de natura lor chimicie de natura lor chimic, factorii de , factorii de crecretere pot fi grupatere pot fi grupai i n trei categorii: n trei categorii:

-- vitaminevitamine

-- aminoaciziaminoacizi

-- purine purine i i pirimidinepirimidine..

Vitaminele Vitaminele reprezint factorii de crereprezint factorii de cretere tere cei mai cei mai ntlnintlnii, necesari microorganismelor i, necesari microorganismelor n cantitn cantiti foarte mici, funci foarte mici, funcionnd ca ionnd ca precursori ai unor coenzime cu rol catalitic.precursori ai unor coenzime cu rol catalitic.

AminoaciziiAminoacizii sunt necesari sunt necesari n cantitn cantiti mai i mai mari pentru a asigura cremari pentru a asigura creterea terea microorganismelor, fiind folosimicroorganismelor, fiind folosii i n biosinteza n biosinteza proteinelor. proteinelor.

Purinele Purinele i i pirimidinelepirimidinele sunt utilizate sunt utilizate pentru sinteza pentru sinteza ARNARN--uluiului i ADNi ADN--ului, ului, precum precum i a unor coenzime.i a unor coenzime.

Bacteriile lactice (Bacteriile lactice (StreptococcusStreptococcus, , LactobacillusLactobacillus, , LeuconostocLeuconostoc etc.), suetc.), sunt nt renumite pentru necesitrenumite pentru necesitile lor ile lor n n vitamine. vitamine.

n general, vitaminele care sunt cel mai n general, vitaminele care sunt cel mai frecvent utilizate pentru necesitfrecvent utilizate pentru necesitile ile nutritive ale microorganismelor sunt: nutritive ale microorganismelor sunt: tiamina (vitamina B1), biotina (vitamina H tiamina (vitamina B1), biotina (vitamina H sau B8), piridoxina (vitamina B6) sau B8), piridoxina (vitamina B6) i i ciancobalaminaciancobalamina (vitamina B12).(vitamina B12).

DIFUZIA DIFUZIA I TRANSPORTUL I TRANSPORTUL SUBSTANSUBSTANELOR PRIN MEMBRANELE ELOR PRIN MEMBRANELE

CELULARECELULARE

SubstanSubstanele nutritive nu pot fi asimilate de ele nutritive nu pot fi asimilate de ctre microorganisme dect dup ce au ctre microorganisme dect dup ce au ptruns ptruns n citoplasmn citoplasm, traversnd peretele , traversnd peretele celular celular i membrana citoplasmatici membrana citoplasmatic. .

Cele mai multe dintre substanCele mai multe dintre substanele nutritive au ele nutritive au molecul mare molecul mare i pentru a ptrunde i pentru a ptrunde n celul n celul trebuie, trebuie, n prealabil,n prealabil, s fie descompuse s fie descompuse n n molecule cu greutate molecular micmolecule cu greutate molecular mic. .

Aceast funcAceast funcie de descompunere este ie de descompunere este ndeplinit de enzimele hidrolitice ndeplinit de enzimele hidrolitice (hidrolaze) elaborate de microorganisme. (hidrolaze) elaborate de microorganisme.

n urma hidrolizei substann urma hidrolizei substanelor nutritive elor nutritive rezult molecule mai micirezult molecule mai mici, cum ar fi: , cum ar fi: monomono--i dizaharidele (i dizaharidele (n cazul hidran cazul hidrailor de ilor de carbon), peptidele carbon), peptidele i acizi i acizi aminiciaminici ((n cazul n cazul proteinelor), acizi graproteinelor), acizi grai i i glicerolul (i glicerolul (n cazul n cazul lipidelor) etc.lipidelor) etc.

Principalele Principalele mecanisme de transportmecanisme de transport ale ale substansubstanelor prin membrana citoplasmatic elor prin membrana citoplasmatic sunt: sunt:

Difuzia pasivDifuzia pasiv

Transportul cu ajutorul unor transportoriTransportul cu ajutorul unor transportorirealizat prin: realizat prin:

-- difuzia facilitat difuzia facilitat-- transportul activ transportul activ

-- translocarea de gruptranslocarea de grup

Difuzia pasivDifuzia pasiv

ProduProduii rezultaii rezultai i n urma hidrolizei pot n urma hidrolizei pot ptrunde prin peretele celular ptrunde prin peretele celular i membrana i membrana citoplasmatic citoplasmatic n mod pasiv,n mod pasiv, traversarea fiind traversarea fiind lent lent i singur nu poate asigura i singur nu poate asigura metabolismul celular. metabolismul celular.

Transportul se opreTransportul se oprete cnd concentrate cnd concentraia ia unei substanunei substane este aceeae este aceeai de o parte i de o parte i de i de alta a membranei.alta a membranei.

Difuzia pasiv este limitat la ap Difuzia pasiv este limitat la ap i un grup i un grup mic de substanmic de substane ca Oe ca O22, CO, CO22, acizii gra, acizii grai i i i substansubstanele liposolubile precum ele liposolubile precum i unii ioni.i unii ioni.

membran plasmatic

Difuzie pasivaDifuzie pasiva

Transportul cu ajutorul unor Transportul cu ajutorul unor transportoritransportori

Se realizeaz prin participarea unui Se realizeaz prin participarea unui transportor specific transportor specific proteine proteine carriercarrier, aflate , aflate n membrana plasmaticn membrana plasmatic, c, care fixeaz are fixeaz substansubstana a i o transport de cealalt parte a i o transport de cealalt parte a membranei. membranei.

Exist trei tipuri de procese de transport Exist trei tipuri de procese de transport mediate de proteine. mediate de proteine.

Difuzia facilitatDifuzia facilitat

Se realizeaz ca Se realizeaz ca i difuzia pasivi difuzia pasiv, , fr consum de fr consum de energie, asigurenergie, asigurndundu--se pe aceast cale transferul se pe aceast cale transferul unor substanunor substane din exteriorul spre interiorul celulei. e din exteriorul spre interiorul celulei.

Spre deosebire de difuzia pasivSpre deosebire de difuzia pasiv, procesul este , procesul este favorizat de implicarea unor proteine prezente favorizat de implicarea unor proteine prezente n n membrana citoplasmatic numite proteine membrana citoplasmatic numite proteine carriercarrier. .

Difuzia are loc atta timp ct Difuzia are loc atta timp ct ntre cele dou ntre cele dou suprafesuprafee ale membranei citoplasmatice, e ale membranei citoplasmatice, concentraconcentraia substania substanelor transportate este diferitelor transportate este diferit, , reureuind astfel s le concentreze ind astfel s le concentreze n interiorul celulei n interiorul celulei

membran plasmatic

substrat

exteriorul celulei

interiorul celulei

Transportul activTransportul activMicroorganismele Microorganismele ii--au structurat la nivelul au structurat la nivelul membranei citoplasmatice agenmembranei citoplasmatice ageni transportori i transportori specializaspecializai (proteine transportor sau i (proteine transportor sau permeazepermeaze), ), prin prin intermediul crora substanintermediul crora substanele rezultate din hidroliz ele rezultate din hidroliz sunt introduse rapid sunt introduse rapid i activ i activ n celuln celul. .

n acest proces se realizeaz o acumulare a n acest proces se realizeaz o acumulare a substansubstanelor elor n celuln celul, de sute sau chiar mii de ori , de sute sau chiar mii de ori mai mare famai mare fa de mediul exterior de mediul exterior..

La bacterii transportul activ se realizeaz La bacterii transportul activ se realizeaz predominant pentru: glucide, aminoacizi predominant pentru: glucide, aminoacizi i sruri i sruri minerale. minerale.

interiorul celulei

membran plasmatic

exteriorul celulei

substrat

Translocarea de grupTranslocarea de grup

SubstanSubstanele transferate ele transferate n celul sufer o n celul sufer o modificare chimic modificare chimic n timpul strbaterii n timpul strbaterii membranei. membranei.

Procesul se realizeaz cu consum de Procesul se realizeaz cu consum de energie energie i cu participarea sistemului i cu participarea sistemului enzimatic enzimatic fosfotransferazicfosfotransferazic. .

Astfel, Astfel, n celul are loc o acumulare de n celul are loc o acumulare de substansubstan modificat modificat. .

Translocarea de grup este Translocarea de grup este ntlnit numai la ntlnit numai la procariote procariote i este implicat i este implicat n transportul n transportul glucidelor simple (glucoglucidelor simple (glucozz, f, fructozructoz), care la ), care la bacterii, cu ajutorul proteinelor bacterii, cu ajutorul proteinelor carriercarrier, primesc un , primesc un grup fosfat grup fosfat i se transform i se transform n glucozon glucozo--66--fosfat fosfat (respectiv, fructozo(respectiv, fructozo--11--fosfat). fosfat).

Energia necesar pentru adiEnergia necesar pentru adiionarea fosfatului ionarea fosfatului este preluat de la sistemul este preluat de la sistemul fosfotransferazfosfotransferaz. .

Glucoza Glucoza fosforilatfosforilat ( (glucozoglucozo--66--fosfat) nu maifosfat) nu mai poate prsi celula poate prsi celula i intr i intr n ciclul metabolic n ciclul metabolic celular.celular.

Procesul se petrece Procesul se petrece n dou etapen dou etape: p: prima etap rima etap are loc are loc n citoplasm iar cea de a doua n citoplasm iar cea de a doua n n membrana plasmaticmembrana plasmatic. .

zahrexteriorul celulei

membran plasmatic

piruvat

interiorul celulei

Transport activ si pasivTransport activ si pasiv