Microbiologie - Curs 3

of 8/8
,,--------------------------------"l Structural Regleaza presiunea osmotica Favorizeaza schimburile cu mediul Catalizatori in reactii enzimatice - rol metabolic Reglarea pH si potentialului redox Curs III. Fiziologia bacteriană. Metabolismul bacterian 1. Compoziţia chimică a bacteriilor 2. Nutriţia bacteriană. Cerinţe nutritive 3. Factori ce influenţează ce influenţează creşterea bacteriană 4. Metabolismul bacterian 1. Compoziţia chimică a bacteriilor Compoziţia chimică a bacteriilor este controlată genetic. Totuşi. ea diferă în diverse momente ale existenţei bacteriilor, în funcţie de relaţia dintre informaţia genetică şi factorii de mediu. Acest aspect derivă din extraordinara capacitate de adaptare a bacteriilor la condiţiile mediului ambient. Principalele elemente constitutive ale bacteriilor sunt: a. Apa - constituie aprox. 80% din greutatea umeda a bacteriei Forme: Apa libera Apa legata fizico-chimic (forma exclusivă la spori) Rol: Mediu de dispersie Reactiv Derivat final al unor procese metabolice b. Substanţele minerale - constituie 2-30% din greutatea uscată a bacteriei Elemente: Na, K, P, S, Ca, CI, Fe Oligoelemente: Cu, Zn, Mg - rol de catalizatori Rol: c. Glucidele - constituie 10-25% din greutatea uscată a bacteriei, funcţie de vârstă, specie, condiţii de mediu Forme: Glucide simple Polizaharide, glicopeptide Rol: Structural Metabolic - metabolismul glucidic Importanţă în identificarea biochimică
  • date post

    29-Jul-2015
  • Category

    Documents

  • view

    89
  • download

    2

Embed Size (px)

Transcript of Microbiologie - Curs 3

,,--------------------------------"l

Curs III. Fiziologia bacterian. Metabolismul bacterian

1. 2. 3. 4.

Compoziia chimic a bacteriilor Nutriia bacterian. Cerine nutritive Factori ce influeneaz ce influeneaz creterea bacterian Metabolismul bacterian

1. Compoziia chimic a bacteriilor Compoziia chimic a bacteriilor este controlat genetic. Totui. ea difer n diverse momente ale existenei bacteriilor, n funcie de relaia dintre informaia genetic i factorii de mediu. Acest aspect deriv din extraordinara capacitate de adaptare a bacteriilor la condiiile mediului ambient. Principalele elemente constitutive ale bacteriilor sunt: a. Apa - constituie aprox. 80% din greutatea umeda a bacteriei Forme: Apa libera Apa legata fizico-chimic (forma exclusiv la spori) Rol: Mediu de dispersie Reactiv Derivat final al unor procese metabolice b. Substanele minerale - constituie 2-30% din greutatea uscat a bacteriei Elemente: Na, K, P, S, Ca, CI, Fe Oligoelemente: Cu, Zn, Mg - rol de catalizatori Rol: Structural Regleaza presiunea osmotica Favorizeaza schimburile cu mediul Catalizatori in reactii enzimatice - rol metabolic Reglarea pH si potentialului redox c. Glucidele - constituie 10-25% din greutatea uscat a bacteriei, funcie de vrst, specie, condiii de mediu Forme: Glucide simple Polizaharide, glicopeptide Rol: Structural Metabolic - metabolismul glucidic Importan n identificarea biochimic

d. Proteinele - constituie 40% - 80% din greutatea uscat a bacteriei, funcie de vrsta, specie, condiii de mediu Forme: Holoproteine - proteine simple Heteroproteine - glicoproteine, cromoproteine, nucleoproteine Rol: Structural Enzime Bacteriile pot sintetiza mii de enzime, implicate n procese metabolice complexe. Aceste enzime pot fi clasificate n funcie de mai multe criterii: Dup locul de actiune: enzime intracelulare sau endoenzime; enzime ectocelulare - n membrana citoplasmatic; au rol n permeabilitatea selectiv (permeaze, translocaze); enzime extracelulare sau exoenzime - eliberate n mediu (hidrolaze) Dupa reactia catalizat: hidrolaze (fosfataza, proteaza); transferaze (aminotransferaza); oxido-reductaze (catalaza, oxidaza, peroxidaza); izomeraze etc. Dup rol: constitutive - exist ntotdeauna n celul indiferent de natura mediului; - adaptative (inductibile) - gena care codific sinteza se activeaz ca rspuns la anumii compui din mediu (ex. penicilinaza, lactaza etc.). Enzimele bacteriene au un rol natural n circuitul substanelor organice i au fost valorificate ntr-o serie de procese biotehnologice, cum sunt: degradarea deeuri lor, procese industriale, medicin Enzimele bacteriene sunt utilizate de asemenea n taxonomia bacteriana, pentru identificarea biochimic a bacteriilor e. Lipidele - constituie 1-10% din greutatea uscat a bacteriei, cu variaii n funcie de vrsta, specie, condiii de mediu; la mycobacterii proporia lipidelor ajunge pn la 40% Forme: Fosfolipide - ex. Treponema Lipidul A - component structural al membranei exteme la Gram negativi Acizi grasi, ceruri - reprezentate n special la mycobacterii Rol: Structural (perete bacterian, membrane celulare) Substane de rezerv (vacuole)

f. Pigmenii - componente prezente la bacteriile cromogene Pot fi clasificai n funcie de mai multe criterii: Dup localizarea pigmentului bacteriile pot fi: cromofore, cnd pigmentul rmne n citoplasm;

2

"".

paracromofore, cnd pigmentul este prezent n perete sau n stratul mucos (Ex. S.aureus); cromopare, cnd pigmentul este difuzibil n mediu (Pseudomonas). Dup natura lor chimic pigmentii pot fi: carotenoizi: Staphylococcus, Sarcina; . chinoinici: Mycobacterium; fenazinici: Pseudomonas etc. Rol: Protectie fa de raze UV, compui toxici de oxigen (ex. pigmentii carotenoizi) Enzimatic Antibiotic: Ex. Piocianina Pseudomonas aeruginosa fata de B. anthracis g. Antibiotice - exemple: - Bacteriocine: Codificate plasmidic Efect pe bacterii nrudite: colicine, megacine - Antibiotice polipeptidice: Polimixina - produs de Bacillus polimyxa Bacitracina - produs de Bacillus liqueniformis etc. h. Vitamine: - tiamina (vitamina B 1) sintetizat de E.coli, B.subtilis - biotina produs de E.coli, B.anthracis - vitamine de grup B, K etc. i. Factori de cretere : Metaboliti esentiali Necesari in cantitati mici Catalizatori (Ex. Factorii X si V la Haemophilus injluenzae) 2. Nutriia bacterian. Cerine nutritive Nutriia bacterian este procesul de asimilare de ctre bacterii a substanelor nutritive organice sau anorganice din mediul extern, necesare obinerii energiei necesare vieii, procesului de sintez a elementelor constitutive necesare creterii bacteriene, procesului de multiplicare, ntregului metabolism energetic i funcional, catabolic, anabolic etc. al bacteriei. Dintre procesele implicate n nutriia bacterian fac parte: Solvirea - n cazul mineralelor, C02, 02; Digestia extracelular cu ajutorul hidrolazelor, cu obinerea de compui simpli: aminoacizi, monozaharide, acizi grasi si glicerol etc. Traversarea membranei celulare: prin difuziune simpl - dependent de gradientul de concentraie difuziune facilitat (prin proteine carrier) - dependent de gradientul de concentraie transport activ, contragradient, cu consum de energie (pompe) Cerine nutritive ale bacteriilor: Pentru.supravieuire, bacteriile au nevoie de o serie de elemente chimice, ntre care:

3

.:. Sursa de carbon si/sau azot. n funcie de modul de raportare la aceste substane, bacteriile se clasific n: Auxotrofe (C02 sau azot anorganic). n funcie de sursa de energie, acestea pot fi : fototrofe (energie luminoas) sau chimiotrofe (energie din reacii de oxidoreducere); sunt bacterii saprofite, libere n natur Heterotrofe (carbon organic, azot organic sau anorganic): Fixatoare de azot: carbon i azot din surse organice sub form molecular - triesc n sol - Ex. Clostridium Carbon organic, azot anorganic: Ex. E. coli Carbon i azot organic complex: microorganisme care triesc n cavitile organismului uman, saprofite, dar i patogene Mixotrofe Prototrofe: cer compui compleci (vitamine, aminoacizi etc.), sunt bacterii fastidioase Paratrofe - bacterii care triesc numai n interiorul unei celule vii; nu se cultiv pe medii artificiale (Rickettsia, Chlamydia, Mycobacterium

leprae) .:. Oxigen - n funcie de relaia cu oxigenul, microorganism ele pot fi: Strict aerobe: ex. Pseudomonas, Mycobacterium tubersulosis Microaerofile: ex. Campylobacter pilori Facultativ anaerobe: majoritatea patogenilor Strict anaerobe: ex. clostridiile Tolerana la oxigen 02 este un compus toxic pentru bacterii, dac nu poate fi redus la H20 (prin ctigarea a 4 electroni) 02 "fur" electroni, pe care i ataeaz progresiv, formnd radicalii liberi de 02 (02 -= superoxid; H202 = peroxid de H; OH-= hidroxil; H20 = apa) Consecinele aciunii compuilor toxici de oxigen: Oxidarea compuilor chimiei - Distrugerea moleculelor de ADN - Pierdere de energie Pentru inactivarea radicalilor toxici este necesar ca bacteria s dispun de un aparat enzimatic: catalaza, peroxidaza, superoxiddismutaza. n caz contrar, ele nu pot supravieui n prezena oxigenului .:. Sulf, fosfor: intr n componena aminoacizilor, enzimelor, vitaminelor, fosfolipidelor etc . :. Minerale: Fe, care intr n componena unor enzime, pigmeni etc.; bacteriile intr n competiie cu gazda i dispun de mecanisme de concentrare i fixare a fierului (ex.siderofori) .:. Na, CI, Mg, K, Ca - importante n asigurarea echilibrului fizico-chimic i acidobazic, n asigurarea mediului de reacie pentru unele enzime (catalizatori - Mg, Ca etc.)

4

3. Factori ce influeneaz ce influeneaz creterea bacterian Exist o serie de factori fizici care influeneaz creterea bacterian: pH neutru; Temperatura n jurul celei fiziologice a organismului uman; Presiunea osmotic izoton pH neutru: Exceptia 1 - suport pH acid: Helycobacter pylori (i fungii - excepie Candid a albicans) Mecanisme PMF (Proton Motive Force) = gradientul electrochimic al protonilor la nivelul membranei celulare - const ntr-un gradient protonic si o diferen de potenial electric H pylori crete mai bine la pH neutru si NU supravietuieste la pH sub 4.0 sau peste 8.2 in absena unor substane chimice, ca de exemplu ureea; dac n-ar produce ureaza, s-ar comporta ca un microorganism obinuit, care necesit medii cu pH neutru) H pylori sintetizeaz cantiti mari de ureaz dimer (10 - 15% din cantitatea de protein total), cu optim de activitate la pH neutru. Ureaza asigur alcalinizarea mediului extra i intracelular Excepia 2 - suport i prefer pH a1calin: Vibrio Celulele adaptate pentru mediu alcalin au rezistena crescut i la ali factori de stress: caldur, crystal violet, acid deoxicolic, peroxid de hidrogen Temperatura: majoritatea patogenilor sunt mezofili; se utilizeaz temperaturi joase pentru conservare: liofilizare, stocare la - 80 o C Exceptia 1: Listeria - psichrofil (iubete temperaturile joase); Exceptia 2: Pseudomonas - psichrotropic (are tropism fa de temperaturile joase) - se multiplic la - 18 o C n zaharuri concentrate Exceptia 3: Bacterii termofile: Termophilus aquaticus Listeria poate invada organismul pe cale digestiv, prin alimente contaminate insuficient preparate termic sau alimente care nu se prelucreaz termic (ex. pine), care au venit n contact cu suprafee pe care s-au tranat alimente crude, contaminate cu Listeria. Ajunge n circulaie, unde frecvent o gsim n interiorul celulelor. Produce toxine cu efect citotoxic. Are tropism pentru SNC, mai ales la persoane imunodeficitare, putnd cauza meningita sau encefalita. La gravide exist susceptibilitate la infecie; uneori este afectat doar ftul, producndu-se avort spontan, moarte intrauterin a produsului de concepie nainte de natere sau septicemie a nou nascutului Termophilus aquaticus triete adaptat n izvoare fierbini: Taq polimeraza provenit de la Termophilus aquaticus este utilizat n PCR, pentru c poate cataliza reacia de polimerizare a nucleotidelor la temperaturi nalte. Presiunea osmotica (mediu izo, hiper, hipotonic) - Influenat mai ales de concentraia zaharurilor si NaCIExceptia 1: stafilococii sunt halotolerani (tolereaz concentraii nalte de Na CIpn la 7,5%)

5

/

Excepia 2: Vibrio parahaemolyticus este halofil; Excepia 3: E. coli enterohemoragic - tolereaz concentreii nalte de sorbitol; aceast proprietate este utilizat pentru a separa E. coli enterohemoragic din amestecuri polimicrobiene (ex. fecale). 4. Metabolismul bacterian Metabolismul bacterian poate fi definit ca totalitatea reaciilor biochimice care au loc ntr-o celul bacterian Aceste reacii biochimice ndeplinesc urmtoarele funcii: Degradarea compuilor compleci provenii din mediu n substane nutritive primare Eliberare i stocare de energie Obinerea subunitilor monomere necesare sintezei componenilor celulari, pornind de la substane le nutritive primare Activarea subunitatilor monomere folosite pentru sinteza constituentilor celulari macromoleculari, conform informaiei genetice a celulei Formarea i degradarea biomoleculelor necesare diferitelor funcii celulare Schematic, putem descrie trei tipuri de ci metabolice majore: Calea catabolic Calea anabolic Calea amfibolic Calea catabolic reprezint degradarea compuilor internalizai din mediu, nsoit de eliberarea i/sau stocarea de energie. Catabolismul const n: Degradarea compui lor n molecule constitutive (aminoacizi, zaharuri etc.) Degradarea incomplet a moleculelor simple i reactii de fermentaie cu obinere de alcool, acid lactic, butiric etc., in funcie de specia bacterian i particularitile metabolice Degradare complet a compuilor intermediari la CO2 i H20 n cazul bacteriilor aerobe Exist ci metabolice particulare de degradare incomplet a glucidelor la bacterii, care caracterizeaz procesul de fermentaie, n care acceptorul de electroni este un produs intermediar al cii metabolice: Calea Embden Meyerhoff sau calea hexozomonofosfatului - este o cale anaerob constnd dintr-o suita de reacii, care duce la degradarea glucozei la 2 molecule de piruvai, cu sinteza a dou molecule de adenozintrifosfat (ATP); este ntlnit i la eucarioate. Lactobacilii reduc piruvatulla acid lactic (lactat); fungii reduc piruvatul la etanol i C02. La alte bacterii, produii finali difer n funcie de specie, de tipul respirator etc., putnd fi un acid (formic, oxalacetic, propionic, acetic etc.) sau un alcool (etanol, isopropanol, butanol etc.). Profilul de fermentare a zaharurilor este utilizat n diagnosticul microbiologie pentru identificarea biochimic a bacteriilor.

6

'"

\

Alturi de ciclul acizilor tricarboxilici, Calea Embden-Meyerhoff constiture principalele surse de energie i metabolii intermediari care pot fi utilizai ulterior n sinteza unor compui proprii: aminoacizi aromatici, acizi nucleici, vitamine etc. Calea fosfoketolazei sau calea heterolactic, este legat de untul hexoz-pentoz, compuii finali fiind acidullactic i etanolul, cu producerea unei singure molecule de ATP, ca urmare a fosforilrii nainte de clivajul enzimatic. Calea Entner-Doudouroff se aseamn cu Calea Embden - Meyerhoff ca produi finali, dar fosforilarea ATP apare nainte de clivajul enzimatic, ca i n cazul cii heterolactice, ceea ce face ca energia obinut s fie mai mic (doar 1 molecul de ATP). Furnizeaz rezerve de precursori, vitamine pentru sinteza ADN si ARN n cazul respiraiei, caracterizat prin degradarea complet a glucidelor la C02 i H20 sunt necesare: funcionarea ciclului acizilortricarboxilici, un sistem de transport al electronilor asociat membranei celulare, precum i un acceptor de electroni final, exterior celulei bacteriene. n cadrul respiraiei aerobe, acceptorul final de electroni este 02, n timp ce n cazul respiraiei anaerobe, acceptorul final de electroni poate fi: S02, S, N03 sau N02, ali compui anorganici sau organ ici (ex. fumaratul). La nivelul membranei exist o ATP-az, care catalizeaz sinteza ATP n procesul de fosforilare prin transport de electroni (fosforilare oxidativ). Dintre bacteriile care utilizeaz acceptori finali de electroni exteriori, cele care folosesc H2, N02, H2S, S2, CO, etc., intervin n ciclul natural al materiei vii. Dup modul de utilizare al diverselor ci de degradare a compuilor glucidici, bacteriile pot fi:: Strict aerobe: Mycobacterium tuberculosis, Pseudomonas aeruginosa, B. anthracis - nu pot trai in absenta oxigenului Strict anaerobe - procesul unic de degradare a glucidelor este fermentaia: Clostridii, Bacteroides etc. - mor n prezena oxigenului Aerobe, facultativ anaerobe: majoritatea bacteriilor patogene pentru om funcioneay att prin repiratie, ct i prin fermentaie Microaerofile - prefer i se dezvolt mai bine n concentraii de 02 mai mici dect cea atmosferic: Neisseria, Brucella, Campylobacter Aerotolerante - folosesc fermentaia, dar se pot dezvolta n prezena 02 Calea anabolic: Cile metabolice centrale, glicoliza i ciclul acizilor tricarboxilici sunt parcurse n sens catabolic sau anabolic. Astfel, atunci cnd sunt parcurse n sens anabolic, ele conduc la sinteza precursorilor pentru biosinteza materialului celular. Atunci cnd Calea Embden-Mezerhoff sau Ciclul acizilor tricarboxilici funcioneaz n aa fel nct produc energie, dar i produi intermediar necesari sintezelor celulare, vorbim despre "ci amfibolice". Soarta compuilor simpli Compuii simpli rezultai din degradarea substanelor nutritive din mediu sau din procesele metabolice interne sufer transformri biochimice n sens catabolic sau anabolic, n funcie de necesitile de moment ale celulei bacteriene. Aminoacizii pot suferi procese de transaminare sau dezaminare. Dup dezaminare, ei pot intra n ciclul Krebs, putnd fi degradai pna la Co2 i H20.

7

Bazele purinice si pirimidinice sunt degradate cu ajutorul endo i exonucleazelor, fiind utilizate ca ca surs de carbon; sinteza lor se face, n fazele anabolice, atom cu atom Glicerolul i acizii grai provenii din lipide sub aciunea lipazelor ptrund n ciclul Krebs, pentru a fi degradate la Co2 i H20. n fazele anabolice, sinteza acizilor grai se face sub aciunea enzimelor Acetil-Coenzima A carboxilaza i acid gras sintetaza. Biosinteza glucidelor compuse, a proteinelor i a acizilor nucleici, sau metabolismul intermediar sunt similare la toate organismele. n cazul glucide lor este vorba despre procese de polimerizare-complexare cu fosfai, proteine etc. Aminoacizii necesari sintezei proteinelor provin din diferite surse, dintre care cele mai importante sunt: acidul piruvic, acidul alpha-cetoglutaric i acidul oxalacetic. Nucleotidele sunt sintetizate pornind dela ribozo-fosfat, iar acidul adenozintrifosforic (ATP) i Nicotin-Amin-Dinucleotidul (NAD) fac parte i din metabolismul nucleotidelor. Triozo-fosfaii sunt n acelai timp presursori ai glicerolului, iar Acetil-Coenzima A este principalul precursor allipidelor. Vitaminele i coenzimele sunt sintetizate n diferite ci derivate din metabolismul central. Astfel, produsele intermediare pot participa la sinteza blocurilor de construcie, monomerii, aa cum se ntmpl cu: glucozo-6-P, pentozo-P, tetrozofosfaii, triozofosfaii, 3-fosfogliceratul, serina. Monomerii sunt ulterior polimerizai, pentru a da natere polimerilor: proteinele i acizii nucleici pe matrice, iar lipidele i carbohidraii prin procese enzimatice. Sinteza proteinelor se realizeaz pe matricea de ARNm, cu sprijinul ARN ribozomal i ARN de transfer. Lanul polipeptidic crete la nivelul situsului P al ARNm, n timp ce noul radical aminoacil este adugat la nivelul situsului A al ARNm. Ribozomii, prin diverse structuri ale subunitilor lor sunt inta de aciune a unora dintre antibiotice. Polimerii sufer ulterior procese de autoasamblare. O variant particular a metabolismului celulei bacteriene se realizeaz n condiii n care are loc o aprovizionare permanent cu metabolii deficieni. Aceast variant poart numele de "cale anaplerotic". Particularitile metabolismului bacterian: Unicelular Necompartimentat, datorit lipsei organitelor celulare Plasticitate: adaptare la diferite tipuri de substane nutritive Flexibilitate: utilizarea aceluiai substrat n mai multe ci distincte, dar intricate Eficiena maxim

8