Microbiologie,Toxicologie Si Studii Sanitare (2005)

75
sursa de energie energie pentru deplasare energie pentru creştere componenţi celulari nutrienţi reziduuri din catabolism catabolism anabolism nutrienţi pentru creştere reziduuri Editura AcademicDirect 2005

Transcript of Microbiologie,Toxicologie Si Studii Sanitare (2005)

  • sursa de energie

    energie pentru

    deplasare

    energie pentru

    cretere

    com

    pone

    ni

    celu

    lari

    nutrieni

    reziduuri din

    catabolism

    catabolism anabolism

    nutrienipentru

    cretere

    reziduuri

    Editura AcademicDirect

    2005

  • Lorentz JNTSCHI Lorentz JNTSCHI

    Nscut la 8 Ianuarie 1973 n Fgra, Braov. Absolvent n anul 1991 al Liceului Teoretic Radu Negru Fgra al seciei cu profil Mecanic, Liceniat n Informatic (1995), Chimie i Fizic (1997), Doctor n tiine Exacte, Specializarea Chimie Organic i Computaional (2000) la Universitatea Babe-Bolyai Cluj-Napoca, Master n Ameliorarea Plantelor i Controlul Calitii Seminelor i Materialului Sditor la Universitatea de tiine Agricole i Medicin Veterinar din Cluj-Napoca (2002). ef de lucrri la Universitatea Tehnic Cluj-Napoca.

    http://lori.academicdirect.ro

    Editura AcademicDirect Muncii 103-105, 400020, Cluj-Napoca

    Colecia Didactica Tel. 0264 401775, Fax 0264 592055 Redactor ef: Dr. Lorentz JNTSCHI Copyright 2005 dr. Lorentz JNTSCHI

    Toate drepturile asupra lucrrii aparin autorului. Reproducerea integral sau parial a textului sau ilustraiilor este posibil numai cu acordul prealabil scris al autorului.

    2

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare

    3

    Prefa Lucrarea Microbiologie, Toxicologie, i Studii Fitosanitare este organizat pe trei seciuni, aa cum rezult de altfel i din titlu. Primele dou seciuni, cele de microbiologie i toxicologie prezint conceptele i instrumentele specifice domeniilor biologie celular i microbiologie i respectiv biochimie i toxicologie, domenii de interfa ntre biologie, informatic, chimie i fizic. Progresul realizat n ultimii 100 de ani, cnd practic s-au cldit aceaste discipline, justific pe deplin apariia acestui material, care face o sintez a celor mai noi tehnologii i sisteme de investigare celular. Lucrarea este bine ilustrat, numai n aceast seciune a sa avnd 88 de figuri. Se pune accent pe dezvoltarea capacitilor intuitive, deductive i inductive n domeniu. A doua parte a acestei lucrri o reprezint contribuia personal a autorului n acest domeniu, cu referine directe la publicaiile personale. Aceast seciune refer lucrrile autorului de Doctorat n Chimie Organic susinut la Universitatea Babe-Bolyai din Cluj-Napoca n anul 2000 i de Masterat n Inginerie Agricol susinut la Universitatea de tiine Agricole i Medicin Veterinar din Cluj-Napoca n anul 2002. Trimiterile la literatura de specialitate sunt bine reprezentate, cu precdere n aceast a doua seciune, care refer rezultate comparative ale multor autori. Lucrarea conine, pe capitole, noiuni de Biogeochimie, Microbiologie, Biochimie, Toxicologie i Studii Fitosanitare. In anexa lucrrii este redat un mic (62 de termeni) dicionar englez-romn de termeni tehnici specifici domeniului tratat, pe care autorul i-a cules i folosit pe parcursul documentrii necesare realizrii prezentului material. Cluj-Napoca,

    08.01.2005 Lorentz JNTSCHI

  • Lorentz JNTSCHI

    4

    Cuprins

    1. Introducere ............................................................................................................................5 2. Biogeochimie ........................................................................................................................8

    2.1. Biosfera..........................................................................................................................8 2.2. Biomasa i Biosfera .......................................................................................................9 2.3. Migrarea Elementelor ..................................................................................................10 2.4. Circuitul Substanelor n Natur ..................................................................................10 2.5. Ciclurile Biogeochimice ..............................................................................................11 2.6. Biocenoza.....................................................................................................................12 2.7. Ecologia Omului ..........................................................................................................12

    3. Microbiologie......................................................................................................................17 3.1. Microbiologia i Biologia Celular..............................................................................17 3.2. Legturile Chimice ......................................................................................................19 3.3. Biologia Celulei ...........................................................................................................26 3.4. Genetic i Inginerie Genetic .....................................................................................29 3.5. Microbiologie Industrial ............................................................................................32 3.6. Ecologia Microbian....................................................................................................38

    4. Biochimie ............................................................................................................................40 4.1. Chimia Celulei Vii .......................................................................................................40 4.2. Biomolecule .................................................................................................................41 4.3. Circuitul Informaiei ....................................................................................................42 4.4. Proteine ........................................................................................................................42 4.5. Metode de Analiz a Proteinelor .................................................................................43 4.6. Carbohidrai .................................................................................................................45

    5. Toxicologie .........................................................................................................................46 5.1. Imunologie ...................................................................................................................46 5.2. Imunologie Clinic i Diagnostic Microbiologic.........................................................47

    6. Studii Fitosanitare ...............................................................................................................48 6.1. Introducere ...................................................................................................................48 6.2. Aspecte de Sntate Public ........................................................................................49 6.3. Agrochimia Pesticidelor ..............................................................................................50 6.4. Chimia Pesticidelor......................................................................................................51 6.5. Proprietile Fizico-Chimice ale Pesticidelor ..............................................................52 6.6. Activitatea Biologic a Pesticidelor.............................................................................56 6.7. Metode Moderne n Studiul QSAR/QSPR ..................................................................57 6.8. Utilizarea Pesticidelor n Cultur Exemplu Aplicativ ..............................................61 6.9. Biotehnologiile i Agricultura .....................................................................................64

    7. Anexa. Dicionar de Termeni Tehnici Englez-Romn........................................................69 8. Referine..............................................................................................................................71

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare

    5

    1. Introducere

    1.1. Organismul i Mediul Organismele ntrein un schimb permanent cu mediul nconjurtor iar legitile ce apar la

    interaciunea organismelor cu mediul sunt studiate de ecologie. Elementele mediului nconjurtor care exercit o anumit aciune asupra organismelor sunt

    numite factori de mediu: abiotici, biotici i antropogeni (in de particularitile mediului, prezena omului i activitatea lui de munc).

    Unii dintre factori au importan vital; acetia sunt factori limit. Factorii abiotici au ca surs evoluia. Astfel, n procesul dezvoltrii evolutive fiecare

    organism (specie) s-a adaptat la anumite condiii abiotice i anume: forma corpului le permite anumitor organisme deplasarea n ap, aer, sol; compoziia chimic a mediului este un factor determinant, i anume exist plante care cresc cu

    predilecie pe soluri saline iar altele au nevoie de foarte mult ap; temperatura mediului determin existena vieii i anume avem plante tropicale, plante de clim

    temperat i plante care cresc la temperaturi sczute (diferii arbuti); La aciunea acestor factori limit fiecare specie i are limitele extreme ale toleranei

    (minim, maxim, i optim). De exemplu oule de ascarid au tolerana de 12C (minim), 40C (maxim) i optim la 25C, alga arctic Sphaerella nivalis poate crete la temperatura de 34C iar alte alge cianofile vieuiesc n apa ghezerelor au temperatura de 85 sau mai mult.

    Unele organisme pot suporta schimbri considerabile din mediul nconjurtor numite euritopice, altele exist numai n limite restrnse de oscilaie a lor (valena ecologic diferit), numite stenotopice. Organismele care suport schimbri considerabile n ceea ce privete temperaturile se numesc euritermice iar cele care nu suport variaii considerabile de temperatur se numesc stenotermice. Relativ la rezistena la sruri, avem organisme eurigalice i respectiv stenogalice. Multe exemple de organisme stenotermice gsim printre animalele nevertebrate marine care suport ridicarea temperaturii pn pe la 30C i mai rar pn la 38C.

    Dintre speciile euritermice se pot meniona animalele de ap dulce care suport att nghearea bazinului i nclzirea la 41C-44C.

    Relativ la comportarea organismelor fa de lumin, de exemplu oul viermelui parazit fasciola larva lui miradiciu se poate forma numai la o iluminare puternic iar pentru oule de broasc lumina nu este o condiie necesar, dei accelereaz procesul de dezvoltare n timp ce oul unor specii de molute se segmenteaz numai la ntuneric, i lumina frneaz acest proces.

    Prezena oxigenului pentru organismele aerobe e condiia obligatorie de existen n timp ce pentru cele anaerobe este obligatorie lipsa lui.

    Atitudinea fa de condiiile externe se poate schima la unul i acelai organism n cursul existenei sale: oule de ascarid pentru dezvoltare necesit oxigen, ns pentru ascarida matur el este toxic iar larvele narilor se dezvolt n ap iar narii maturi (imago) triesc pe uscat.

    Temperatura la care se desfoare procesele activitii vitale la majoritatea organismelor este n limitele de la 40C la 45C i aa se explic caracterul srccios al vieii n regiunile arctice i n condiii aride.

    Pentru multe specii de animale i plante foarte important este ciclul anual de dezvoltare fotoperiodism (durata zilei lumin i regimul de temperatur).

    Supravieuirea la condiii nefavorabile (reducerea umiditii, temperatura nalt sau joas, lipsa hranei) la unele organisme are ca manifestare amorirea (imobilitate, ncetarea alimentrii, ncetinirea schimbului de gaze, scderea brusc a altor procese fiziologice).

    Astfel, temperatura ce provoac amorirea se ntlnete la unele insecte, peti i amfibii la care amorirea se instaleaz la coborrea temperaturii mai jos de +15C, la altele la +10C iar la unele doar n jurul lui 0C. Alte animale n stare de amorire nghea i la dezgheare se rentorc la activitatea vital.

    Cea mai profund amorire are loc n caz de anabioz. Anabioza este o stare a organismului n care procesele vitale sunt att de ncetinite nct lipsesc toate manifestrile vizibile ale vieii i se

  • Lorentz JNTSCHI instaleaz la schimbarea temperaturii sau a umiditii. De remarcat c n stare de anabioz sporete rezistena organismului i la ali factori nefavorabili (hipoxie, aciunea substanelor toxice, a radiaiei ionizante).

    Factorii biotici ai mediului stabilesc relaii interspecifice i intraspecifice care sunt exprimate prin legturi de nutriie (lanurile trofice), concuren, antibioz i simbioz.

    Relaiile reciproce dintre organisme ce in de nutriie duc la formarea lanurilor trofice. Deoarece sursa de energie ce asigur existena tuturor organismelor este Soarele, prima verig a oricrui lan trofic este transformarea n procesul fotosintezei a energiei luminoase n energie chimic i formarea compuilor organici. Astfel, 0.1% din energia solar primit de pmnt e utilizat n fotosintez, trecnd n energie potenial a substanelor organice. Animalele erbivore disperseaz o parte considerabil a energiei i numai o parte din ea este folosit la construirea protoplasmei. Mai departe, animalele rpitoare se hrnesc cu cele erbivore.

    Dou exemple de lanuri trofice sunt: alge de plancton animale de plancton crustacee peti psri i mamifere piscivore; plante insecte psri insectivore psrile rpitoare;

    Fiecare lan trofic cuprinde de regul nu mai mult de 4-5 verigi, deoarece datorit pierderii de energie biomasa total a fiecreia din verigile urmtoare este de aproximativ 10 ori mai mic dect a celei precedente; aceast legitate se numete regula piramidei ecologice.

    Concurena i antibioza sunt dou noiuni des ntlnite n studiile ce privesc relaiile ce se stabilesc ntre organismele vii. Concuren se numesc relaiile ce se stabilesc ntre organismele aceleiai sau diferitelor specii care coexist n codiii identice ale mediului. De exemplu acridienii, roztoarele i copitalele ce se hrnesc cu ierburi i ntre ele se stabilesc relaii de concuren, n timp ce la plante apare concurena pentru lumin i umiditate.

    Antibioza este rezultatul aciunii inhibitoare a unui organism asupra altuia, de cele mai multe ori n urma eliminrii unor substane speciale de natur chimic divers cum sunt antibioticele. Sunt cunoscute antibioticele produse de ciuperci, bacterii i alte organisme. Productori activi de antibiotice s-au dovedit a fi ciupercile de mucegai, de exemplu Penicillinum care elimin penicilina, nociv pentru multe bacterii. Seria de derivai ai penicilinei, cu efect antibiotic este prezentat n figura urmtoare.

    O

    OCH3HO

    CH2C

    H3C

    O Penicillic Acid

    N

    SH

    O

    CH3

    CH3COOH

    HCH3(CH2)3SCH2CONH

    Penicillin BT

    N

    SCH2CONH

    H H

    O

    CH3CH3COOK

    Penicillin G Potassium (Potassium penicillin G)

    N

    SCH(CH2)3CONH

    H H

    O

    CH3

    CH3COOH

    H2N

    HOOC

    Penicillin N (Cephalosporin N, Adicillin)

    N

    SOCH2CONH

    H H

    O

    CH3

    CH3COOH

    Penicillin V (Penicillin phenoxymethyl, Phenoxymethylpenicillin,

    Phenoxymethylpenicillinic acid

    N

    SH

    O

    CH3

    CH3COO

    HCH2CONH H2N

    CH2C6H5

    CH2CH2C6H5

    Penicillin G (Benethamine, Benethamine penicillin G, Benetolin)

    N

    SCHCH2SCH2CONH

    H H

    O

    CH3

    CH3COOH

    CH2

    Penicillin O (Penicillin AT)

    N

    SCHCH2SCH2CONH

    H H

    O

    CH3

    CH3COOK

    CH3CCl

    Penicillin S Potassium (Potassium penicillin S)

    6

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare La antibioticele obinute din ciupercile de mucegai i bacterii se refer gramicidina,

    streptomicina, biomicina, tetraciclina i altele. Structurile i denumirile antibioticelor uzuale sunt redate mai jos:

    N

    CH3O

    CH3

    CH2COOH

    CO Cl

    Indomethacin (Argun, Artracin, Artrivia,

    Catolep, Confortid, Dolcidium, Durametacin, Elmetacin, Indacin)

    O

    CH3OH

    CH3

    OCH3

    O

    OCH3H3C

    OHOH

    H3C

    CH2CH3

    O

    CH3

    H3C

    OHCH3

    O

    O

    O

    HOCH3

    N

    CH3H3C

    Erythromycin (Erythromycin A, Abomacetin, Eritrocina, Staticin, Stiemycin Torlamicina)

    O

    NH

    OCH3

    CH3

    OH

    CH3HOH3C

    CH3COO

    H3CCH3O

    O

    CH3OH OH

    CH3O

    OHCH N N N CH3

    Rifampicin (Rifampin, Rifaldazine, Rifamycin AMP, Rifaprodin, Rifobac, Riforal, Rifoldin, Rifoldine, Rimactan)

    N

    SH H

    OCH3

    CH3

    COOH

    CHCONHNH2

    HO

    Amoxicillin (Amoxycillin, Amocilline)

    N

    S

    NH2

    CHCONHH H CH3

    CH3COOHO

    Ampicillin (Ay 6108, Adobacillin, Alpen, Ampicina, Ampilar, Ampimed, Austrapen,

    Bonapicillin)

    CH2NH2

    OH2NHO

    HO

    CH2NH2O

    O

    NH2

    HO

    NH2

    HOH2C

    H H

    OH

    H H

    O

    O

    HOHO

    NH2

    O

    Neomycin (Mycifradin, Myacyne, Fradiomycin, Neomin, Neolate, Pimavecort, Vonamycin Powder

    V)

    OH O OHOH

    OCONH2

    OHN(CH3)2HHO CH3

    Tetracycline (Deschlorobiomycin,

    Tsiklomitsin, Abricycline, Achromycin, Agromicina, Ambramicina, Ambramycin,

    Bio-Tetra, Cyclomycin, Hostacyclin)

    7

  • Lorentz JNTSCHI

    Cl

    OH OOH

    CONH2

    OHN(CH3)2HCH3HO

    OH O

    Biomycin (Chlortetracycline, 7-Chlorotetracycline, Biomitsin)

    NH2COCH2CH2

    H H

    H CH2OHOH

    H

    CH3

    CH3

    H3C CH

    CH2

    NH

    CO

    CH2

    CH2

    NC

    H3C

    H

    HCH3NH2COCH2

    H

    H3C

    NH2COCH2

    H3C

    CH3

    CH2CONH2

    CH3

    H

    H

    CH2CH2CONH2

    CH3

    CH3

    CH2CH2CONH2

    NN

    NN

    N

    OO

    OPO

    O

    N

    Co+

    Duodecibin (Dodecavite, Dodecabee, Embiol, Emociclina,

    Fresmin, Hepavis, Hemomin, Hepagon, Hepcovite, Megabion (Indian), Megalovel)

    Relaiile intraspecifice (ntre membrii populaiei) pot fi pozitive (provoac atracia reciproc i cooperarea), negative (agresive, ce condiioneaz dispersarea) i indiferente.

    n cadrul aceleiai populaii, divizarea duce la separarea pe subuniti, i anume individul, familia, reuniunea ntmpltoare a indivizilor i comunitatea. Iat cteva exemple n cazul vertebratelor: bancuri de peti, haite de lupi, turme de cerbi, colonii de psri. n comunitate n urma ciocnirilor se stabilete individul dominant i rangul fiecruia din subalterni.

    2. Biogeochimie

    2.1. Biosfera Biosfera reprezint o parte a nveliurilor globului pmntesc (atmosfera, hidrosfera,

    litosfera) populat i transformat de fiinele vii. Biosfera este format din totalitatea organismelor vii mpreun cu habitatele lor.

    Biosfera este un nveli termodinamic cu temperatura de la +50C pn la -50C i presiunea n jurul unei atmosfere (101325 Pa); aceste condiii constituie limita vieii pentru majoritatea organismelor; limita superioar a biosferei este la 22 km deasupra nivelului mrii; n oceane, limita inferioar a vieii o constituie la adncimea de 10 km; n scoara terestr dur (litosfer) limita vieii este determinat de temperatura nalt i organismele ptrund pn la 4-5 km.

    Viaa n biosfer se menine datorit fluxului de energie radiant folosit de plantele verzi n fotosintez, cnd energia luminoas se transform n energie chimic. Transformrile complicate ale substanelor n organismele vii pe contul energiei chimice acumulate n procesul de fotosintez sunt de natur de natur biochimic i biogeochimic; practic toate substanele scoarei terestre n cantiti diferite i cu o diferit intensitate sunt antrenate n circuitul substanelor n natur i trec prin organismele vii.

    Structura elementar a biosferei o constituie biocenoza, i anume organisme cu diferite tipuri de schimb de substane. Bio(geo)cenozele ncorporeaz productorii de substane organice (fotosinteticii i hemosinteticii), consumatorii (care exist pe contul substanelor organice) i

    8

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare

    9

    reductorii (ce mineralizeaz substanele organice). n aceste procese se realizeaz transformarea energiei luminoase n diferite alte tipuri de energie.

    Transformarea substanelor, energiei i informaiei n biogeocenoze i n biosfer n ansamblu decurge continuu din momentul apariiei vieii, ceea ce a modificat esenial aspectul planetei.

    Studiul principiilor organizrii i reglrii transformrii substanelor, energiei i informaiei n natura vie este obiectivul ciberneticii biosferei.

    Toate organismele vii formeaz biomasa planetei. Ea constituie cca. 0.01% din masa scoarei terestre ns n pofida masei mici, rolul acestora n procesele ce se desfoar n biosfer este enorm. Organismele vii au transformat radical alte nveliuri ale planetei. Activitatea organismelor vii condiioneaz compoziia chimic a atmosferei, concentraia srurilor n hidrosfer, formarea unor roci i distrugerea altora n litosfer, formarea nveliurilor de sol i altele.

    2.2. Biomasa i Biosfera

    n cadrul litosferei, organismele vii contribuie la crearea rocilor. Origine organogenic au: calcarurile ce se formeaz n mri din scheletele organismelor; diatomitul din resturile algelor monocelulare; crbunele, isturile combustibile, petrolul din resturile de esuturi moi de plante i animale,

    supuse transformrilor chimice; rezervele de substan organic din scoara terestr depesc de cteva ori cantitatea de substan organic vie;

    Organismele vii contribuie direct i indirect i la distrugerea rocilor: lichenii distrug direct stncile chimic (cu ajutorul fermenilor) i mecanic (rupnd buci de

    roci); apele naturale ce conin n stare dizolvat oxigen i bioxid de carbon de origine biogen i ali

    compui organici; datorit acestei compoziii capacitatea de dizolvare a apei naturale sporete cu mult i astfel se distrug multe roci;

    Materialele iniiale pentru formarea solului sunt straturile superficiale de roci iar sub aciunea microorganismelor, plantelor i animalelor se formeaz nveliul de sol. n compoziia organismelor se concentreaz elementele biogene; dup moartea plantelor i animalelor i descompunerea acestora aceste elemente trec n compoziia solului; ca rezultat n sol se acumuleaz elemente biogene i alte substane organice nedescompuse complet. n sol se gsete un numr colosal de microorganisme; ntr-o ton de cernoziom numrul de microorganisme se ridic la cifra de 25102, deci solul are o origine biogen. n sol sunt compui organici, anorganici i organisme vii i apariia i existena solului n absena biosferei este imposibil. Solul este habitatul multor organisme; din el plantele absorb substane nutritive i ap.

    Compoziia chimic a atmosferei este reglat de activitatea organismelor vii. Aerul uscat din stratul atmosferei de la suprafaa pmntului conine Azot (7810-2 g/l), Oxigen (0.210-2 g/l), Argon (910-3 g/l), i Bioxid de carbon (3310-5 g/l).

    Din cele 4 gaze care alctuiesc atmosfera numai argonul nu ine de activitatea vital a organismelor; consumul i furnizarea oxigenului, azotului i bioxidului de carbon este reglat de organisme. n straturile superioare ale troposferei din oxigen se formeaz ozonul; moleculele de ozon absorb razele ultraviolete care sunt nocive pentru via.

    Datorit stratului de ozon, care este rezultatul aciunii vitale a organismelor este posibil existena vieii pe uscat i n straturile superioare ale apelor oceanelor.

    n concluzie, viaa singur i-a creat mediul su de via. n cadrul hidrosferei, compoziia chimic a apelor naturale se formeaz direct i indirect sub

    aciunea organismelor. De asemenea, organismele vii i produsele activitii lor vitale contribuie la splarea unui ir de substane; aceste substane, apoi dizolvate n apele rurilor i apoi n apele marine se concentreaz de ctre multe organisme. De exemplu fierul ajunge n mare sub form de compui cu substanele organice; o parte din acest fier se depune pe cale biogen: se acumuleaz n scheletele echinodermelor, sarcodinelor i n algele marine. n concluzie biosfera include:

  • Lorentz JNTSCHI

    10

    Substana vie (totalitatea organismelor vii); Substana biogen ce se formeaz ca rezultat al activitii organismelor vii:

    o Gazele din atmosfer; o Rocile de origine organic: crbunele, petrolul, calcarul, etc; o Substana inert (aprut fr participarea organismelor vii) cum ar fi rocile expulzate i

    meteoriii.

    2.3. Migrarea Elementelor Fiinele vii realizeaz migrarea elementelor n litosfer, hidrosfer i sol, schimbul de elemente ntre hidrosfer, sol i atmosfer, dintre uscat i mare, circuitul apei, carbonului, oxigenului i altor elemente ce intr n compoziia substanei vii. Pe suprafaa terestr nu-i o alt for chimic care s-ar caracteriza printr-o aciune mai continu (de zeci de milioane de ani) i de aceea mai puternic (dup rezultatele finale) dect organismele vii, luate n ansamblu. Anual pe pmnt se formeaz 41011 tone de substan organic. n biosfer practic atomii tuturor elementelor au trecut prin starea de substan vie. Elemente ca iodul, fosforul, sulful, potasiul aproape complet sunt concentrate n substana vie, circulnd continuu n organismele vii. Oxigenul i azotul atmosferei, tot acidul carbonic sunt de origine organogen. Rolul organismelor vii n biosfer este determinat de capacitatea lor de acumulare i transformare a energiei solare, de a se reproduce, asigurnd continuitatea activitii i acumularea i de a efectua reacii chimice cu o aa vitez care de cteva ori depete viteza reaciilor din natura nevie. 2.4. Circuitul Substanelor n Biosfer Toate organismele n procesul activitii lor vitale consum substanele din mediul nconjurtor. Fiecare specie de organisme le prelucreaz n felul su i le ntoarce n mediu n alt form. n aceast form substana nu poate fi folosit de indivizii aceleiai specii sau de organismele altor specii cu schimb de substane identic. Produsele activitii vitale a unor organisme se consum de altele care au caracter diferit al metabolismului i n cele din urm n lanul metabolic sunt antrenate toate speciile. Ca rezultat aceeai substan este folosit multiplu pentru formarea materiei vii. Un astfel de exemplu este faptul c nutriia organismelor heterotrofe depinde de cele autotrofe i necesitatea tuturor aerobilor de oxigen subliniaz dependena acestora de plantele verzi.

    Nici organismele autotrofe nu pot exista fr organismele heterotrofe cci cantitatea de substan neorganic necesar pentru sinteza substanelor organice de pe Tera este nelimitat. Drept surs de noi sinteze organice servesc produsele descompunerii substanelor organice sintetizate anterior. Aceste sinteze sunt realizate de unele organisme heterotrofe n principal de bacterii astfel c plantele verzi pentru sinteza amidonului necesit CO2 expirat n atmosfer de organismele vii.

    n concluzie rezult c n atmosfer se stabilete un echilibru ntre organismele heterotrofe i autotrofe.

    Mai mult, nutriia organismelor heterotrofe este ntotdeauna n dependen de alte organisme, ceea ce condiioneaz apariia unor lanuri trofice complexe. Astfel: Animalele i omul consum substanele organice sintetizate de plante; Plantele verzi n procesul fotosintezei utilizeaz bioxidul de carbon expirat de organismele vii; Bacteriile i fungiile descompun substanele organice.

    Toate organismele vii sunt antrenate n circuitul substanelor n natur. Produsele activitii vitale a unor organisme sunt necesare pentru existena altora. Astfel se creeaz unitatea continu a naturii vii i nevii.

    Procesul continuu de trecere a elementelor chimice dintr-un compus n altul din componena scoarei terestre n organismele vii, scindarea lor ulterioar n compui neorganici i elemente chimice i din nou trecerea n componena scoarei terestre se numete circuitul substanei i energiei.

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare Pe parcursul existenei biosferei componena specific a animalelor, plantelor i

    microorganismelor ce nfptuiesc acest circuit continuu s-a schimbat n repetate rnduri. ns ntotdeauna activitatea lor n comun meninea regimul biogeochimic necesar pentru existena vieii.

    Din totalitatea de elemente chimice cunoscute circa 40 sunt antrenate de organismele vii n circuitul activ. Aceste elemente sunt numite ciclice sau biogene.

    Pentru organismele vii o importan mai mare o prezint circuitul carbonului, azotului, oxigenului, hidrogenului, fierului, fosforului, sulfului, potasiului, calciului, manganului, siliciului ns dou cicluri identice ale aceluiai element nu exist. n fiecare ciclu nou apar cteva schimbri. 2.5. Ciclurile Biogeochimice Carbonul intr n compoziia tuturor compuilor organici. n scoara terestr coninutul lui nu depete 0.5%, n atmosfer dup mas este doar 0.008%, ns n masa uscat a animalelor se gsete circa 20% iar n cea a plantelor pn la 45%. De aceea substana organismelor vii la temperatur nalt se carbonizeaz. n aerul atmosferic exist permanent bioxidul de carbon eliminat de organisme n procesul activitii vitale. Furnizorii principali de CO2 n atmosfer sunt vulcanii i apele freatice saturate cu carbonai.

    Coninutul total de CO2 n atmosfer este de 2.11012 tone. Apa de mare conine circa 50 cm3 CO2 n fiecare litru, deci n oceanul planetar coninutul lui este de 161015 tone, de 8 ori mai mult dect n atmosfer.

    n procesul de fotosintez plantele verzi asimileaz carbonul pe care frunzele l primesc din aer sub form de bioxid de carbon i formeaz glucidele. n procesul respiraiei plantelor o parte din glucide se oxideaz i bioxidul de carbon nimerete din nou n atmosfer. Cea mai mare parte din glucide se acumuleaz n plante, n care se mai formeaz de asemenea proteine, grsimi, vitamine.

    Plantele sunt mncate de animalele erbivore i om. Astfel carbonul trece n organismul animalelor i omului. n timpul respiraiei glucidele se oxideaz. Pe contul energiei eliberate se desfoar toate procesele vitale iar bioxidul de carbon se elimin n atmosfer.

    Putrefacia se desfoar cu participarea bacteriilor de putrefacie. n urma acestui proces de asemenea are loc oxidarea carbonului cu formarea de CO2 ce se elimin n atmosfer. La descompunerea organismelor n lipsa oxigenului adic fr oxidare (de exemplu pe fundul bazinelor) se formeaz turba, crbunele de pmnt, petrolul i isturile. Omul le folosete drept surs de energie iar bioxidul de carbon eliberat nimerete din nou n atmosfer.

    Astfel un cerc se ncheie i ncepe un nou ciclu de antrenare a carbonului n compui organici, sintetizai de plante.

    Ciclul sulfului n atmosfer ([1])

    Azotul este un element obligatoriu din compoziia proteinelor. Masa principal de azot este coninut n atmosfer. ns plantele nu pot asimila azotul liber. El este trecut n compui organici

    11

  • Lorentz JNTSCHI

    12

    de ctre bacteriile azotofixatoare. Compuii cu sulf existeni n atmosfer cuprind n principal H2S, SO2, SO3 i sulfai [2]. Ei intr n atmosfer pe o mare ntindere, prin activiti umane. Se estimeaz c aproximativ 65 milioane de tone de sulf pe an intr n atmosfer prin activiti antropologice, n principal la arderea combustibililor [3]. Principalele aspecte ale ciclului global al sulfului n atmosfer sunt redate n figura de mai sus. 2.6. Biocenoza

    Animalele vii nu sunt uniform repartizate pe suprafaa planetei. Exist ns anumite sectoare omogene n ceea ce privete repartiia speciilor.

    Un sector omogen conine o serie de biotipuri ale speciilor iar comunitatea de populaii ce formeaz un biotip se numete biocenoz.

    O biocenoz conine cteva specii care sunt factorii regulatori principali. Astfel, biocenozele terestre au ca specii regulatori principali plantele.

    Pe lng comembrii biocenozei (plante, animale, microorganisme) natura nevie ce le nconjoar (sol, ape subterane, straturile inferioare ale troposferei) formeaz biogeocenoza.

    Biogeocenoza este un sistem unic, dinamic si stabil. Dimensiunile unei biogeocenoze pot varia de la civa metrii pn la civa km i fiecare biogeocenoz se caracterizeaz prin: circuit specific al substanelor; transformarea energiei solare; productivitatea biomasei.

    n biogeocenoze exist 3 grupe de comembrii: sintetizatorii (productorii de substane organice) organisme autotrofe; consumatorii (transform substanele organice); distrugtorii (mineralizeaz substanele organice).

    O biogeocenoz este un sistem deschis i ntre toi componenii biogeocenozei se stabilete un echilibru dinamic homeostaza ecologic.

    Evoluia fiecrei specii de organisme se desfoar n condiiile unei anumite biogeocenoze i ca rezultat a aprut adaptarea reciproc a speciilor.

    Productivitatea biologic a biogeocenozei este un element important n caracterizarea sa. Se definete productivitatea primar ca biomasa plantelor ce se formeaz ntr-o unitate de timp.

    Omul creeaz agrobiocenozele artificiale (cpiile, ogoare, puni, livezi, plantaii forestiere, rezervoare de ap). Acestea sunt cu mult mai productive dar nu pot exista fr ngrijirea omului. Mai mult, spre deosebire de biogeocenozele naturale, agrobiocenozele artificiale se caracterizeaz prin omogenitatea componenei specifice.

    Este important de reinut c folosirea neraional a resurselor naturale duce de multe ori la dereglarea echilibrului n comunitile biologice.

    2.7. Ecologia omului n cadrul ecologiei omului se studiaz relaiile cu mediul nconjurtor (condiiile biotice,

    abiotice i sociale). Aciunea mediului natural asupra omului este mai mult sau mai puin estompat prin

    folosirea de mbrcminte, foc i construcia de locuine. Mediul nconjurtor din imediata vecintate este modificat prin construcii locative,

    gospodreti, industriale, plantaii de arbori, terenuri agricole, funcionarea ntreprinderilor industriale i agricole i transportului.

    Spre deosebire de orice alt organism viu, ce populeaz doar un anumit areal, ce ine seama de anumite condiii naturale, omul s-a stabilit cu traiul pe toat planeta, avnd astfel cel mai ntins areal cosmopolit.

    Interaciunea omului cu factorii biogeografici i antropogeni ai mediului se face la diferite moduri de organizare: organismic, populaional, specific, biocenotic, i biosferic.

    La nivelul organismic se desfoar procese ontogenetice i fiziologice; pentru realizarea lor omul necesit anumite condiii de hran, ap, lumin, temperatur.

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare Reaciile individuale ale organismului la factorii mediului se evideniaz n condiiile

    provinciilor geochimice (n care se constat insuficiena sau surplusul unor elemente chimice, ce provoac boli endemice (locale). De exemplu, insuficiena de Co se rsfrnge negativ asupra sintezei cianocobalaminei (vitamina B12); are ca efect diminuarea metabolismului nucleic i micorarea capacitilor de adaptare la factorii nefavorabili ai mediului.

    Alt exemplu, insuficiena de Cu duce la diminuarea metabolismului lipidic i ncetinirea maturizrii eritrocitelor n timp ce surplusul de Mo favorizeaz dereglarea metabolismului purinic, de care este legat sinteza acidului uric; acesta, fiind un compus puin solubil se depune n articulaii provocnd o boal asemntoare cu podagra, denumit podagr endemic molibdenic.

    La un surplus de Sr se poate declana condrodistrofia, ce duce la nanism, picioare i mini scurte, brahidactilie iar n provinciile cu insuficien de iod este rspndit gua endemic, ce ine de mrirea glandei tiroide.

    Reacia individual a organismului se manifest cel mai bine la schimbarea mediului de trai, i mai ales atunci cnd omul nimerete n condiii extreme de mediu.

    Adaptarea (aclimatizarea) este condiionat de rezervele fiziologice ale organismului. Astfel, la schimbarea temperaturii mediului ncep s funcioneze mecanismele de termoregulare. La trecerea ntr-o nou zon orar sau la urcarea n muni pentru aclimatizare se cer uneori cteva zile iar mutarea n alte condiii climatice uneori sptmni sau chiar luni sau s nu se stabileasc deloc.

    La nivel populaional specific se poate spune c n epoca paleolitului superior (n zorii istoriei umane) s-au format principalele trsturi de ras, ce poart un caracter adaptiv.

    Era paleozoic i cenozoic

    Caricaturi ale evoluiei umane (Vanity Fair Newspaper, 1920)

    Astfel, pielea ntunecat a rasei ecuatoriale mpiedic trecerea radiaiei UV, prul crlionat prin neaderarea lui strns la pielea capului servete drept barier pentru razele solare, buzele subiri, tietura ngust a ochilor, epicantusul rasei mongoloide s-au format drept adaptare la clima rece i uscat a stepelor i pustiurilor de N-V, unde praful i frigul pot vtma membrana mucoas a ochiului, forma plat a feei (din experiment) micoreaz pericolul suprarcirii n timp ce pielea

    13

  • Lorentz JNTSCHI alb a rasei europoide s-a format n rezultatul acomodrii la clima nordic unde insuficiena de calciferol n hran duce la rahitism. Sub aciunea razelor solare, aceast vitamin se poate sintetiza n grosimea pielii, ns nu e necesar ca pielea s fie aprat de pigment ntunecat.

    Trsturile adaptive sunt reaciile care apar convergent n diferite populaii ce se gsesc n condiii de trai identice independent de rudenia lor genetic sau apartenena la ras. Astfel, un complex apropiat de trsturi caracteristice pentru zona tropical se observ la populaia europoid din India, aborigenii din Australia i negroizii din Africa i analog, un tip adaptiv arctic ntlnim la saami europoizi, nenii mongoloizi, ciuccia, eschimoii.

    Dac trsturile de ras s-au format n zorii istoriei umane, tipurile adaptive se formeaz pe tot parcursul istoriei umanitii.

    La nivelul biocenotic, ca parte a biocenozei, omul intr n anumite relaii cu alte organisme. Cu unele specii ntreine o legtur permanent i strns ntruct el singur reprezint o biocenoz, n care vieuiesc bacterii-simbioni (bacilul coli componentul florei intestinale normale) i endo- i ectoparazii.

    Tot mediul ce nconjoar pe om constituie practic fie cenoze (biocenoze) artificiale create de om fie biogeocenoze naturale modificate ntr-o oarecare msur de activitatea omului iar biogeocenoze absolut neschimbate nu mai exist practic pe planet. n aceste biogeocenoze (numite i antropobiogeocenoze) decurge viaa, desfoar activitatea gospodreasc i de toate zilele, de acestea in factorii de sntate i restabilire a capacitii de munc.

    Din punct de vedere medicobiologic biogeocenozele se mpart n 3 grupe: biocenoze naturale, nc puin supuse aciunii omului, comuniti steti, i comuniti oreneti i industriale.

    Biocenoz natural

    Biocenozele naturale se caracterizeaz printr-o varietate mai mare de plante i animale i se ntlnesc n diferite zone landaftogeografice i n aceast privin reprezint o mare varietate (pustiuri arctice, tundra, silvotundra, taigaua, pdurile mixte i de foioase, stepa, semipustiurile, pdurile subtropicale, pdurile musonice i mixte. De acestea ine existena bolilor cu focalitate natural; aceste focare puteau s existe n natur pe parcursul mai multor secole independent de om, ns intervenia omului n focarele strvechi ale bolilor este deseori cauza izbucnirii morbiditii.

    Transformarea naturii poate duce la stingerea i lichidarea focarelor, propagarea infeciei n afara focarelor primare, sau la apariia focarelor noi, ce in de activitatea omului. Astfel au fost lichidate focarele naturale ale pestei n Europa i Transbaicalia, focarele leishmaniozei n Turcmenia; pe de alt parte nlocuirea landafului de pdure n zona central a Rusiei prin lanaft de fnee de cmp a generat modificarea componenei roztoarelor murine i apariia unor noi focare

    14

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare de tularemie. n Africa lrgirea reelei anurilor de irigare a dus la apariia unor noi focare de schistomiaz, deoarece s-a mrit suprafaa biotipurilor populate de molute, care sunt gazdele intermediare ale trematodului; pe teritoriile pustiurilor din trecut n-au fost nregistrate mbolnviri locale de ascaridoz ntruct din cauza insuficienei de umiditate din sol oule de ascarid nu supravieuiau; n rezultatul construciei sistemelor de irigare clima n aceste locuri s-a schimbat, apropiindu-se de cea subtropical umed, i concomitent au aprut focarele locale de ascaridoz. Febra galben se ntlnea iniial doar n Africa Central i de Vest, unde era boala primatelor, transmis de narii ce vieuiau n jungl; ulterior, cnd una din speciile de nari de transmiteau virusul febrei galbene, Aedes Aegypti, a nceput s trisc n apropierea locuinelor omeneti, devenind n rezultat o specie sinatrop (din greac: sin = mpreun, antropos = om). Astfel au aprut focare intraoreneti de febr galben. Odat cu Europenii i robii negri au ptruns n america tropical agentul patogen al febrei galbene i narul Aedes Aegypti, ceea ce a generat izbucnirea mai nti a focarelor intraoreneti iar apoi i a celor secundare suburbane; n cele secundare gazde ale agentului patogen s-au dovedit a fi maimuele americane (cu nasul lat), iar vectori speciile americane de nari.

    Comunitile steti (agrocenozele) se caracterizeaz prin resturi nensemnate de plante i animale slbatice, teritorii imense ocupate de plante de cultur, un numr mare de animale domestice (componena specific a acestora este limitat). Componena specific i particularitile activitii gospodreti contribuie la rspndirea unor specii de zoonoze (echinococoza i tularemia) i altele. n rile cu clim cald i agricultur irigat contribuie la rspndirea biohelmiilor (schistosomozelor). Activitatea gospodreasc n aceste cenoze are ca scop sporirea recoltei culturilor agricole i a productivitii animalelor domestice.

    Agrocenoz

    Ocrotirea mediului nconjurtor trebuie s se orienteze la folosirea raional a ngrmintelor chimice, pesticidelor, efectuarea msurilor profilactice pentru ntmpinarea zoonozelor i helmiilor. Cenozele oreneti i industriale (urbanocenozele) se caracterizeaz prin aglomerri mari de oameni, suprafee nensemnate de vegetaie plantat artificial, faun srccioas, poluarea frecvent a mediului ambiant cu deeuri industriale i de transport. Poluarea mediului i factorii industriali pot fi cauza bolilor profesionale i alergice i a traumatismelor; promiscuitatea, factorii profogeni, ritmul ncordat al vieii oreneti, hipodinamia creeaz premisele pentru bolile de nervi, psihice i cardiovasculare. Sarcina medicosanitar n urbanocenoze const n prentmpinarea polurii mediului nconjurtor, introducerea n producie a circuitelor nchise, fr deeuri, combaterea zgomotului, traumatismului rutier i de producie, crearea zonelor verzi n orae i n jurul lor, propagarea modului de via sntos, culturii fizice i sportului.

    15

  • Lorentz JNTSCHI

    Urbanocenoz

    Cosmocenozele sunt un tip special de biocenoze, care a aprut odat cu navele cosmice. Biologia cosmic este cea mai tnr ramur a tiinelor biologice, care studiaz aciunea factorilor spaiului cosmic asupra organismelor terestre. Una din sarcinile biologiei cosmice este i studierea formelor posibile de via extraterestre.

    Instalarea primei structuri (din 4) n interiorul laboratorului U. S. A. de pe Staia Spaial

    Internaional (10 Decembrie 1997) Problema principal este crearea sistemelor nchise ce asigur existena omului n spaiul

    cosmic. Posibilitatea principal de creare a unui spaiu nchis se bazeaz pe constatarea c substanele consumate de organismele mature sunt eliminate n mediul nconjurtor n strict conformitate cu cantitatea consumat. ntrebarea principal este aici cum pot fi reintroduse n circuit produsele activitii vitale.

    16

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare n condiiile biocenozelor terestre circuitul substanelor se realizeaz datorit activitii a 3

    grupe de organisme (productori, consumatori, distrugtorii). Sarcina habitatului ntr-un sistem artificial nchis se reduce la crearea unui circuit asemntor al substanelor; ntruct la baza circuitului substanelor stau dou procese diametral opuse (sinteza autotrof a substanelor organice i scindarea acestor substane).

    Revenind la cosmobiocenoze, n nava cosmic pe lng om mai trebuiesc introduse i aceste dou grupe de organisme; sinteza substanelor organice cu acumularea n ele a energiei poate fi nfptuit de organismele fotoautotrofe (plantele superioare, algele unicelulare). Hrana animal (aminoacizii metioninei i cistinei) poate fi asigurat prin introducerea crustaceelor de plancton (artemiile, dafniile) sau a speciilor de molute fr cochilie. La baza metodei biologice de mineralizare a deeurilor organice pot fi puse procesele de oxidare aerob n reactoarele utilizate pentru purificarea apelor de menaj. n prezent se creeaz noi metode de mineralizare, ntruct astfel de produse finale s corespund mai bine necesitilor plantelor. n timpul zborului cosmic omul suport aciunea diferiilor factori: vibraii, suprasarcini, imponderabilitate.

    Unul dintre efectele nedorite ale zborului care trebuiesc compensate este c n stare de imponderabilitate greutatea corpului este nul, presiunea hidrostatic a sngelui n vase se niveleaz, sngele este repartizat uniform n toate prile corpului i starea de repleiune sangvin a prii superioare a trunchiului este mai mare i se intensific procesul de eliminare a lichidelor din organism precum i a ionilor de Na+ i Ca2+.

    3. Microbiologie 3.1. Microbiologia i Biologia Celular

    Toate organismele vii sunt compuse din celule. Cele cinci caracteristici importante ale celulelor sunt: auto-hrnirea sau nutriia (funcia main); auto-replicarea sau creterea (funcia de codificare); divizarea (formarea unei noi celule iar sporificarea este parte a propriului su mod de via);

    Divizare Autoreplicare (cretere)

    Spor

    17

    Auto-hrnire (nutriie) Comunicarea cu alte celule prin semnale chimice

    Mediu Celula

  • Lorentz JNTSCHI

    Celula originar

    Nou cod

    Evoluie (apariia de modificare n codul genetic) transmiterea de semnale chimice (comunicarea cu alte celule); evoluia (schimbri care duc la apariia unor noi proprieti biologice).

    Aparent, celulele par a nu respecta legile fizicii fiind structuri cu grad nalt de ordine ntr-o lume n care trendul general este de a deveni mai puin ordonat n timp. ntrebarea care se pune este "Cum reuesc acestea s menin ordinea?" i rspunsul: prin generarea continu de energie i o parte din aceasta este folosit pentru a menine structura celulei.

    Generarea energiei este o caracteristic important a metabolismului. Alte caracteristici ale metabolismului sunt reaciile chimice prin care se sintetizeaz compui i se formeaz structura celulei.

    Reaciile chimice sunt catalizate de ctre molecule de proteine numite enzime. Enzimele trebuie s posede o anumit structur pentru a funciona; astfel, ele trebuie s nglobeze un set de informaii (gene) care codific structura fiecrei proteine din celul. Setul de instruciuni este codificat n DNA, materialul genetic al celulei. Exist de asemenea un sistem de transformare, RNA, care convertete informaia codificat n DNA n proteine. Cteva tipuri de molecule RNA (RNA mesager, RNA ribozom i RNA de transfer) sunt eseniale pentru acest proces. Rezultatul biosintezei este creterea celulei. Pentru ca celula s se replice, ea trebuie s sintetizeze mai mult de 1000 de molecule diferite de proteine. Celulele au informaie genetic pentru a produce aproximativ 3000 de proteine diferite iar genele pe care aceasta le conin sunt cele care sunt capabile s codifice proteinele cele mai utile pentru supravieuire i cretere n condiiile de mediu existente. Celula trebuie de asemenea s i copieze fidel informaia genetic atunci cnd o pune ntr-o nou celul. Greelile n copiere sunt fcute ocazional; aceste mutaii sunt n general duntoare i ucid celula. Oricum, ele asigur un mecanism prin care celula achiziioneaz noi proprieti. Acest fenomen apare dac proteina codat de gena mutant catalizeaz o reacie diferit fa de proteina originar. n condiii favorabile de mediu, aceast celul mutant poate avea un avantaj selectiv (care const n faptul c se poate replica mai rapid dect competitorii). Principiul seleciei naturale este subliniat de teoria evoluiei a lui Darwin. Sunt dou tipuri structurale de celule: celulele procariote sunt relativ simple n structur; eucatiotele n schimb sunt mai complexe n sensul n care conin organite, care sunt compartimente pentru funcii metabolice speciale. Aceste organite includ un nucleu adevrat, mitocondrii i cloroplasma. n plus, biologii opereaz cu viruii, care sunt entiti necelulare care folosesc instrumentul metabolic al celulelor pentru a se replica.

    18

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare Dihotomia ntre tipurile structurale de celule nu red cu fidelitate evoluia relaiilor dintre organisme. Analiza secvenelor de nucleotide ale RNA ribozom au artat c exist dou grupuri de procariote: Archaea i Bacteria. Aceste grupuri nu mai sunt acum apropiate unul fa de altul aa cum sunt ele apropiate de Eucaria.

    Microorganismele triesc n habitate n care creterea lor este afectat de interaciunile cu populaiile altor microbi ca i de proprietile fizico-chimice ale mediului. nelegerea interaciunilor ecologice n comunitile microbiene este esenial n stabilirea rolului microbilor n natur. Este dificil de studiat microbii n natur. De aceea, tot ceea ce cunoatem despre microbi s-a nvat de la culturile pure.

    Archaea Eucaria Bacteria

    Originea vieii

    Plante i animale

    Evoluia relaiilor dintre organisme Cteva specii de microbi pot avea efecte devastatoare asupra omului, cauzndu-i boli

    infecioase. Un mare succes al microbiologiei a fost controlul bolilor infecioase letale n rile n curs de dezvoltare. Oricum, aceste boli sunt nc importante cauze de deces n zonele mai puin dezvoltate ale lumii. Lsnd aceste aprecieri asupra anumitor specii, cea mai mare parte a microorganismelor sunt benefice. Funcionarea corespunztoare a biosferei i a solului depinde de activitatea acestora. De mult mai mare impact asupra oamenilor se bucur industria productoare de antibiotice, de produse alimentare, compui organici i biomas. O descoperire recent o reprezint industria biotehnologiilor care folosete microbii ca fabrici pentru a produce proteine din gene de plante i animale prin introducerea lor n bacterii ADN. Microbii sunt de asemenea importani n agricultur i biodegradarea alimentelor.

    Microbii au fost descoperii acum 300 de ani de microscopistul van Leeuwenhoek dar cea mai mare parte a descoperirilor din microbiologie au fost fcui n ultimii 100 de ani. Louis Pasteur i Robert Koch sunt doi lideri n dezvoltarea disciplinei. Printre alte multe realizri, Pasteur a contrazis teoria generaiilor spontane definitiv. Foate important este demonstraia c experimentele cu microbi sunt reproductibile i nu este o consecin a apariiei unei noi viei. Koch a descoperit criterii ferme pentru a demonstra c o boal specific este cauzat de o bacterie specific (postulatele lui Koch). Obinerea culturilor pure a fost esenial pentru succesul criteriilor lui Koch i utilizarea culturilor pure rmne i azi un instrument esenial n studierea bolilor infecioase.

    3.2. Legturile Chimice Toate formele de via conin tipuri similare de molecule i muli dintre aceti compui biochimici nu sunt gsii n materialele care nu sunt de natur biologic. Chiar dac ele sunt unice, moleculele celulare respect legile fizicii i chimiei. Aceste molecule sunt compuse din atomi ai a 92 de elemente naturale de pe pmnt i doar 6 dintre acestea sunt componente majore ale biomasei (H, C, N, O, P, S). Carbonul este cel mai important dintre acestea. El poate stabili legturi chimice cu ali atomi n mai multe moduri pentru a produce molecule complexe i diverse. Atomul const dintr-un nucleu care conine protoni ncrcai pozitiv i neutorni i un numr de electroni ncrcai negativ care orbiteaz n jurul nucleului. Punerea n comun de electroni constituie o legtur chimic. Dac electronii sunt pui n comun n mod egal, legtura este covalent i este una relativ puternic. Legturile covalente pot fi formate sau rupte n celule doar de reacii specifice catalizate de enzime. Cteva alte interaciuni necovalente sunt de asemenea biologic importante n determinarea formei moleculelor, sau n legarea macromoleculelor de ali compui.

    19

  • Lorentz JNTSCHI Legturile de hidrogen sunt formate prin atracia spontan a atomilor ncrcai slab pozitiv

    de atomii ncrcai slab negativ din molecule.

    O HO

    H

    H

    OH H

    H

    H

    OH

    Legturi de hidrogen ntre molecule de ap

    CH2C

    N

    O

    CH2C O

    N

    CH

    H

    H N

    H

    H

    HC

    CO

    CH2N

    CO

    H2C

    Legturi de hidrogen ntre aminoacizi

    n lanurile proteice O legtur simpl de hidrogen este mult mai slab dect o legtur covalent, dar cnd un

    mare numr de legturi de hidrogen sunt formate n sau ntre molecule, acestea pot avea un efect semnificativ. n legturile hidrofobe molecule care intr n contact cu apa formeaz o asociere.

    N

    N

    ON

    H

    HH

    NN N

    NO

    N

    H

    HH

    H

    NN N

    NN

    H

    HH

    N

    O

    ON

    H

    H

    Citozin Guanin Timin Adenin

    Legturi de hidrogen ntre bazele din DNA Natura vieii pe pmnt este determinat nu numai de chimia atomului de carbon ci i de

    proprietile de solvent ale apei. Cea mai mare parte a greutii unei celule (70 - 90%) este format de ap, i reaciile biochimice nu au loca dac nu exist o cantitate suficient de ap. Moleculele de ap sunt slab polare (tendina ca sarcinile + i s se separe n molecule).

    OHH

    Molecula de ap

    Consecinele acestei polariti sunt: moleculele biochimice polare importante (ca proteine, acizi nucleici, moleculele mici folosite ca

    nutrieni i elemente de construcie) sunt solubile n ap; moleculele nepolare (ca lipidele) nu sunt solubile n ap i formeaz agregate sau se

    aglomereaz. Agregatele de lipide formeaz bariere ca membranele i afecteaz micarea moleculelor polare nspre sau n afara celulelor.

    Macromoleculele formeaz structura celulei, catalizeaz reaciile metabolice i conin codul informaiei de replicare a celulei. Sunt 4 tipuri importante de macromolecule celulare: acizi nucleici, proteine, polizaharide i lipide. Fiecare molecul este un polimer compus dintr-o secven de blocuri constructive legate prin legturi covalente. Este important de cunoscut caracteristicile fiecrui bloc constructiv pentru fiecare tip de macromolecul.

    20

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare n funcie de natura lanului macromolecular polimerii se mpart n: carbocatenari (cu lan alctuit numai din atomi de carbon: policlorur de vinil, polietilen,

    polibutadien); heterocatenari (lan alctuit i din ali atomi: oxigen, azot, sulf, siliciu pe lng cei de carbon:

    poliamide, poliuretani, poliesteri, polizaharide). Dup tipul reaciilor prin care se obin polimerii sintetici, ei se clasific n: polimeri obinui prin reacii de policondensare; polimeri obinui prin reacii de poliadiie. Polimerizarea a dou specii diferite A i B se numete copolimerizare i se poate efectua dup una din schemele: alternativ: ABABABABABAB ntmpltor: ABBAABBBABAAB bloc: AAAAAABBBB

    ramificat:

    A A A A A A A A

    B

    B

    B

    B

    B

    B

    B Polimerul obinut prin copolimerizare prezint numai n cazuri rare o alternare regulat a celor doi monomeri i, mai mult, raportul de monomeri n caten nu corespunde de obicei cu raportul de monomeri din amestecul de reacie. Din acest caz copolimerii sunt n general substane amorfe.

    n acizii nucleici i proteine secvena blocului constructiv variaz de la o molecul la alta; aceast secven este cea care determin activitatea biologic a macromoleculei n celul.

    Polizaharidele sunt lanuri de carbohidrai variind n lungime de la 100 la cteva mii de uniti. Carbohidraii coninnd 4-7 atomi sunt cei mai frecveni n celule. Molecule diferite de carbohidrai pot fi formate prin substituia gruprilor chimice de pe structura de baz a moleculei de zaharoz i de asemenea prin stereoizomerism, care este obinut prin variaia spaial a gruprilor OH n lanul carbonic. Unitile de zaharoz n polizaharide sunt legate ntre ele prin legturi glicozidice. Molecule diferite de polizaharide pot fi formate prin variaia orientrii legturii glicozidice, variaia monomerului carbohidrat sau prin folosirea a 2 sau mai muli monomeri ntr-o polizaharid. Cele mai importante polizaharide sunt celuloza, glicogenul, amidonul i peptidoglicolul.

    OCH2OH

    HOH

    H

    OH

    HOH

    H

    H

    OO

    CH2OH

    H

    H

    OH

    HOH

    H

    HO

    H

    Celobioza, structura repetitiv n molecula

    de celuloz

    Parte din structura glicogenului (G

    glicogenina, A, B, C izomeri de structur ai glucozei) primele 5 inele din totalul de 12 [4]

    21

  • Lorentz JNTSCHI

    Glicogenina (proteina situat n centrul structurii de glicogen)

    OCH2OH

    HH

    O

    H

    HOH

    H

    H

    OH H

    OCH2OH

    HH

    O

    HN

    HOH

    H

    H

    OH H

    C

    CH3

    O

    OCH2OH

    HH

    O

    HN

    HOH

    H

    H

    OHC H

    C

    CH3

    O

    H3C

    CO

    OH

    Glucoza, structura repetitiv n molecula de glicogen i amidon [5], i acizii N-acetil glucozamin i N-acetil muramic ce intr n componena peptidoglicolului

    NH

    NHO

    O

    Membrana celular i Uracil, a patra baz n RNA

    membran de lipide peptidoglican citoplasm

    Lipidele sunt componeni ai membranelor, bariera permeabil a celulelor. Natura lor chimic le recomand pentru aceast folosin. Acizii grai pe care acestea i conin au n componen grupri hidrofobe care previn ca moleculele ncrcate electric sa traverseze membrana. Sunt dou tipuri de acizi nucleici (DNA i RNA). Amndou sunt compuse din blocuri constructive de nucleotide. Unele nucleotide au de asemenea i alte funcii n metabolismul energetic (ATP). Toate nucleotidele conin un zahar (glucoz, fructoz, .a.), un fosfat, i o baz azotat. Cei doi acizi nucleici difer unul de cellalt prin zaharul din blocul constructiv. n amndoi, polimerul se formeaz prin legturi covalente ntre zahar i gruprile fosfat ntre nucleotidele adiacente. Acest cuplaj zahar-fosfat este regula general pentru toate moleculele de acizi nucleici. Trei baze sunt comune pentru RNA i DNA: adenina, guanina i citozina. A patra baz n RNA este uracil iar n DNA este timina. DNA conine puni duble zahar-fosfat care sunt legate ntre ele prin legturi de hidrogen ntre baze prin perechi de puni. Aici exist preferin pentru perechi de baze n formarea legturilor

    22

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare de hidrogen. Cele 4 baze se combin i compuii rezultai se mpart n dou clase: purine i pirimidine. Purina este format din asocierea adeninei i timinei n timp ce pirimidina se formeaz din guanin i citozin. Dou puni de DNA au o secven complementar. Dac se tie o punte, se poate construi secvena celeilalte prin respectarea regulii de perechi. Acest principiu furnizeaz celulei o cale comod pentru a copia cu acuratee secvena DNA, care este informaia genetic. RNA difer de DNA prin faptul c sunt n mod obinuit formate din puni simple. Mai mult, moleculele de RNA au cel mult cteva mii de nucleotide, n timp ce DNA poate conine milioane de nucleotide. Sunt 3 clase de RNA, care sunt importante n conversia secvenei de nucleotide DNA din gen n secven de aminoacizi n protein. Proteinele sunt iruri de aminoacizi legate prin legturi peptidice covalente. Legturile se formeaz ntre o grupare amino a unui aminoacid i o grupare carboxil a unui alt aminoacid. Sunt 20 de aminoacizi, care difer prin proprietile chimice ale lanurilor lor (tabelul 1). Caracteristicile prilor de molecul de protein (de exemplu hidrofobicitatea i hidrofilicitatea) sunt determinate de tipurile de aminoacizi care se afl n acea parte de molecul. Diversitatea de proprieti n ceea ce privete aminoacizii este realizat practic de un numr nelimitat de proteine care pot fi construite prin variaia secvenei de aminoacizi.

    Tabelul 1. Cei 20 de aminoacizi eseniali hidrofob hidrofob

    carbohidratul poate fi legat covalent de gruparea sa NH

    moderat hidrofil

    hidrofob hidrofob

    23

  • Lorentz JNTSCHI

    gruparea liber amino face ca el s fie bazic i hidrofil

    puternic bazic i hidrofil

    gruparea liber carboxil l face acid i hidrofil

    gruparea liber carboxil l face acid i hidrofil

    oxidarea gruprii sale sulfhidril (-SH) poate lega dou Cys (S-S)

    hidrofob

    Bazic i hidrofil

    provoac torsiuni n lan

    24

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare

    foarte mic i amfil, poate exista n orice vecintate

    absent n cea mai mare parte a proteinelor din plante

    foarte hidrofob gruparea OH l face moderat hidrofil

    carbohidratul se poate lega covalent cu gruparea sa -OH

    carbohidratul se poate lega covalent cu gruparea sa -OH

    Proteinele nu exist ca polimeri liniari. Mai mult, ele capt forme foarte diferite.

    Biochimitii definesc 4 nivele ale structurii proteice. Structura primar este dat de secvena de aminoacizi. Structura secundar refer formarea unei spirale sau a unei foi de irul de polipeptide ca rezultat al legturilor de hidrogen ntre atomi. O pliere i mai mare care este realizat de legturile covalente sau necovalente (-SH) se numete structura teriar. n cele din urm, mai multe polipeptide se pot asocia pentru a forma o protein funcional. Aceste aranjamente formeaz structura cuaternar.

    Proprietile de pliere sunt eseniale n stabilirea formei proteinei i selecia moleculelor care pot ataa prin legturi covalente sau necovalente de aceasta. Demonstraia acestui fapt se face pe cale experimental, cnd prin deplierea structurii teriare, folosind cldura, acizi sau baze (denaturarea unei proteine) proprietile sale originare (n special activitatea biologic) sunt diminuate sau eliminate. Astfel, aceasta i pierde calitatea de a cataliza o anumit reacie sau capacitatea de a forma structura celulei.

    25

  • Lorentz JNTSCHI Cnd 4 entiti diferite sunt legate de un atom de carbon, acele molecule pot exista ca stereoizomeri. Aceste molecule au aceeai formul structural dar una este imaginea n oglind a celeilalte. La zaharuri i aminoacizi, aceste forme se numesc D i L (de la dextrogir - rotete planul de polarizare al luminii spre dreapta i levogir - rotete planul de polarizare al luminii la stnga). Zaharurile D predomin n sistemele biologice iar formele L predomin n aminoacizi.

    Rotaia luminii polarizate de ctre stereoizomeri

    3.3. Biologia Celulei

    Celulele microbilor sunt prea mici pentru a fi vzute direct. n consecin, pentru studiul morfologiei celulare, sunt utilizate microscoapele.

    Microscop optic

    Microscop electronic

    Microscoapele optice sunt utilizate frecvent pentru a determina morfologia celulei. O varietate de tehnici optice (cmp luminos, fluorescen de contrast de faz) au fost perfecionate pentru aplicaii specifice i sunt folosii marcheri pentru sporirea vizibilitii i mrirea contrastului unor structuri anume ale celulei. Limita de rezoluie pentru microscopul optic este de circa 0.2 m.

    Cea mai important tehnic de marcare este marcarea Gram, deoarece difereniaz organismele pe baza structurii peretelui celular. Rezult astfel dou grupuri de bacterii: Gram-pozitive i Gram-negative. Detaliile fine ale structurii celulare se pot decela cu ajutorul microscopului electronic.

    Att celulele de Bacteria ct i cele de Archaea pot fi descompuse ntr-un numr de structuri care efectueaz funcii specifice. Este important de tiut funciile acestor structuri i compoziia lor

    26

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare chimic. Cteva structuri de baz se regsesc n toate celulele procariote i eucariote. Acestea sunt membrana citoplasmatic, ribozomii i genomul.

    Cteva forme de bacterii sunt frecvente: forma sferic (coccus), cilindric (rod) i elicoidal (spirilla). n contrast cu celulele procariote, celulele eucariote sunt mult mai mari i mult mai complexe. Nucleele lor se afl n interiorul unei membrane i sunt organizate n molecule de DNA distincte numite cromozomi. De asemenea n celulele eucariote conin o structur secundar numit organele.

    27

    Structura celulei

    perior racem membrana citoplasmatic ribozom

    cromozomplasmidspaiu periplasmic peretele celular

    Forme de bacterii (coccus, rod, spirilla)

    Aceste organele inc organismele fotosintetice). Dimen

    lud mitocondrii i cloroplastul (n siunea mic a microbilor are cteva implicaii. Dimensiunea bacteriilor variaz de la 0.1-0.2

    m pn la 50 m n diametru. n general, celulele mici cresc mai rapid dect celulele mari. Aceasta este o consecina a faptului c un raport suprafa / volum mare le permite un schimb rapid cu mediul exterior i a faptului c nutrienii care sunt supui metabolismului n citoplasm trebuie s fie traversai prin membrana celular. Raportul suprafa / volum este o msur a ct suprafa de membran este disponibil pentru a asigura nutrieni pentru proteinele din unitatea de volum de citoplasm. Odat cu creterea dimensiunii celulei, volumul crete mai repede dect suprafaa. Membrana citoplasmatic este o barier selectiv n separarea citoplasmei de mediul exterior. Pentru ca s existe ordine, trebuie ca s fie meninut controlul asupra la cine intr i cine iese din celul. Aceasta este de fapt funcia membranei celulare. Bariera pentru traversarea necontrolat a membranei este asigurat de un strat dublu de fosfolipide. Gruprile hidrofile de glicerol ale lipidelor sunt aliniate la periferia membranei n timp ce acizii grai hidrofobi sunt plasai n interior. Interiorul hidrofob previne ca moleculele ncrcate pozitiv sau negativ s traverseze membrana. Aceste molecule pot traversa membrana numai cu ajutorul unor proteine transmembran specifice care sunt nglobate i divid matricea lipidei. Elementul important este c celulele pot tipurile i activitile de transport a proteinelor de control care la rndul lor controleaz micarea moleculelor nspre i dinspre celul. Dei toate celulele au membrane plasmatice formate din lipide, tipul lipidelor difer. Eucariote i steroli se regsesc n membrane. Una din calitile Archaea-ei, comparat cu Bacteria sau Eukaria o reprezint legturile eterice ntre glicerol i regiunea hidrofob a lanului lipidic comparativ cu legturile esterice prezente n alte organisme. Ca rezultat, lipidele archae-lei au regiuni de lan compuse din lanuri de legturi de izopren. Membrana lipidic este o barier pentru traversarea moleculelor dinspre i nspre celul. Membrana de proteine citoplasmatice este responsabil pentru activitile metabolice asociate membranei. Exteriorul membranei este asociat cu transportul nutrientelor n timp ce transportul electronic prin membran este iniiat de faa interioar. Membrana exterioar este mult mai permeabil dect membrana

  • Lorentz JNTSCHI

    28

    prite n clase metabolice n funcie de sursa lor de energie. Fototro

    chimic a celulei este un element important de analiz. Celulele sunt bogate n proteine

    itativ cele mai importante componente. La asigura

    m este termenul care cuprinde toate reaciile chimice din celul. Se pot mpri aceste

    us la punct un mecanism prin care captureaz energia eliberat cnd substan

    Oricum, reaciile controlate termodinamic nu au loc totdeauna imediat ce reactanii sunt

    plasmatic interioar. Ea conine peri, proteine care formeaz mici guri n membran. oricum, macromoleculele nu pot ncape prin aceste guri. Existena membranelor celulare se justific i altfel; concentraia de solut este n general mult mai mare n interiorul celulei dect n exteriorul membranei plasmatice. Dezechilibrul se corecteaz prin traversarea apei prin membran spre celul (osmoz). Oricum, prea mult ap poate provoca blocajul celulei. Tria mecanic a pereilor celulei rezist ns presiunii osmotice. Acest fapt este atestat de didroliza peptidoglicanului de ctre enzima numit lizozim. Multe bacterii mobile au un sistem de echilibru care le permite s-i regleze deplasarea n funcie de concentraia atractanilor chimici. Senzorii care regleaz acest echilibru sunt numii chemoreceptori. Trei importante organele prezente n celulele eucariote sunt mitocondrii, cloroplastele i nucleul. Toate 3 sunt nconjurate de membrane de lipide dar n toate cazurile, membranele acestora sunt mult mai permeabile dect membrana plasmatic. Nucleul conine materialul genetic al eucariotelor. Genomul este coninut ntr-un numr de molecule de DNA numite cromozomi. Mitocondrii sunt sursele de energie. Moleculele cu mas mic pot uor traversa membrana mitocondriilor. Exist de asemeni nite membrane interne numite cristai, care sunt implicate n conversia energiei. Matricea mitocondriilor conine enzime care metabolizeaz compuii organici. Cloroplastele conin la rndul lor membrane interioare (tilacoizi) bazate pe pigmeni i proteine necesare pentru transportul enegiei fotosintetice capturate. Energia i puterea de reducere generate de fotosintez sunt folosite n esuturile de legtur pentru conversia CO2 la carbon organic. Mitocondriile i cloroplastele sunt de dimensiunea celulelor procariote, i din acest motiv se justific explicaia c aceste organele apar cnd celulele procariote invadeaz celulele mai mari i devin simbioi ai acestora.

    Microorganismele sunt mpele i obin energia din lumin, n timp ce chemotropele i obin energia pe cale chimic.

    Chemoorganotropele folosesc compui organici n timp ce chemolitotrofele folosesc compui anorganici. Compoziia i n instrumente de producere a acestora (ribozomii).

    Astfel, proteinele i acizii nucleici sunt cantrea unui nutrient pentru creterea unei celule trebuie s se in seama de ponderea

    elementelor chimice n celule. Heterotrofele necesit carbon organic pentru susinerea biosintezelor de lanuri carbonice i necesarul de energie de sintez. Azotul, cel mai frecvent asimilat sub form de amoniac, este constituentul esenial al proteinelor i acizilor nucleici. Fosfaii sunt utilizai uzual ca surse de fosfor pentru sinteza acizilor nucleici i a fosfolipidelor. Sulful, asimilat sub form de sulfai, este esenial pentru sinteza a 2 aminoacizi. Prin convenie, nutrienii sunt mprii n macronutrieni (C, H, O, N, P, S, K, Mg, Na, Ca i Fe) i micronutrieni (Cr, Co, Cu, Mn, Mo, Ni, Se, W, V i Zn).

    Metabolisreacii n reacii care sintetizeaz nou material celular (anabolism) i reacii al cror scop este

    asigurarea energiei din energie chimic (catabolism). Aceste dou categorii de reacii sunt legate ntre ele, n sensul n care reaciile catabolice asigur energia necesar pentru desfurarea reaciilor anabolice de cretere.

    Celulele au pele sunt oxidate n timpul catabolismului. Energia se definete n acest caz ca abilitatea de a

    efectua lucru. Cantitatea de energie (lucru) eliberat este cuantificat ca schimbare n energia liber (G). Dac este eliberat energie ntr-o reacie, atunci G calculat ca energia liber din produi minus energia liber din reactani este mai mic ca 0, deci o variaie de energie liber negativ. Aceasta este natura reaciilor catabolice. n reaciile de biosintez (anabolice), variaia de energie liber este mai mare dect 0 i celula trebuie s contribuie cu energie pentru ca reacia s decurg n sensul dorit. amestecai. Legturile trebuie rupte pentru ca moleculele s se recombine, i aceasta necesit o energie de activare. Aceast energie poate fi asigurat prin nclzirea reactanilor, dar aceasta nu

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare este posibil n celule. n celule, enzimele funcioneaz ca i catalizatori diminund energia de activare a reaciei pn la punctul la care aceasta decurge la temperatur normal. Catalizatorul (enzima) rmne neschimbat de reacie.

    sursa de energie

    energie pentru

    deplasare

    energie pentru

    cretereco

    mpo

    nen

    i ce

    lula

    ri

    nutrieni

    reziduuri din

    catabolism

    catabolism anabolism

    nutrienipentru

    cretere

    reziduuri

    Metabolismul celular

    R

    R*

    P t(s)

    E(J)

    R*,C EaC

    ? EaCEa

    Tunelarea energetic cu ajutorul catalizatorilor enzimatici

    Enzimele sun a efect spectaculos

    3.4. Genetic i Inginerie Genetic Chiar d struciunile necesare pentru construcia multor

    lei, nu toate au aceeai

    t catalizatori biologici; ele sunt foarte specifice i pot aveasupra reaciilor pe care le controleaz. Energia de activare pentru hidroliza acid a zaharozei este de 107 kJmol-1; n prezena enzimei zaharaz energia se reduce la 36 kJmol-1 i procesul de hidroliz este accelerat de 1012 ori la temperatura corpului (310 K).

    ac genomul celulei posed toate inproteine, nu toate acestea se exprim n acelai timp. Mai mult, cnd o enzim este prezent n celul, poate s nu fie activ datorit condiiilor de mediu prezente n celul. Chiar dac multe reacii enzimatice au loc ntr-un singur ciclu al celuamploare. Unii compui sunt necesari n cantiti mari, n timp ce alii sunt necesari, dar n cantiti mici. Mai mult, unele proteine sunt necesare n cantiti mari n anumite condiii, n timp ce altele n cantiti mai mici, iar la altele trebuie asigurat o cantitate constant i acesta este cazul celor mai

    29

  • Lorentz JNTSCHI multe dintre procesele de cretere. Deoarece celula trebuie s foloseasc la maxim resursele sale, aceste procese trebuiesc regulate. Cile biosintetice pot fi controlate cu ajutorul inhibiiei de reacie invers, ceea ce nseamn c produsul final al ntregului lan metabolic inhib activitatea primei enzime din lan (nu din gen). Dac prima reacie nu mai are loc, enzimele urmtoare sunt "nfometate" de substrat, i produsul final nu mai este sintetizat. Produsul final se aeaz pe prima enzim ntr-o cavitate diferit de cavitatea activ. Aceast a doua regiune se numete cavitate alosteric. Aezarea efectorului alosteric schimb structura tridimensional a proteinei i n special conformaia cavitii active. Astfel, substratul nu se mai poate aeza n cavitatea activ i reacia enzimatic este inhibat pn cnd inhibitorul de reacie invers nu prsete cavitatea alosteric.

    Enzima

    Cavitateaalosteric

    Cavitatea activ

    Legarea substratului

    Are loc reacia enzimatic

    Substrat Efector alosteric

    Datorit schimbrii

    conformaionale a cavitii active

    reacia enzimatic este inhibat

    Nu se poate lega substratul

    Absena reaciei

    enzimatice

    Reacia enzimatic

    Mecanismul enzimatic celular

    A doua modalitate de a altera activitatea enzimei este prin modificare covalent. O enzim modificator catalizeaz adiia (prin legtur covalent) a unei grupri fosfat, metil sau a unei nucleotide la o enzim biosintetizatoare. Aceast adiie altereaz conformaia cavitii active a enzimei biosintetice i prin aceasta i activitatea ei. Gruparea modificatoare poate apoi fi extras cu ajutorul altei enzime modificator i astfel se restaureaz activitatea iniial a enzimei biosintetice. Viruii sunt elemente genetice necelulare care conin acid nucleic nconjurat de un scut proteic. Ei sunt mai mici dect celula i dimensiunile acestora variaz de la 0.02 m la 0.03 m. Spaiul dintre scutul proteic i virus este metabolic inert iar forma "dezbrcat" a virusului (de peretele proteic) se numete virion. Deoarece viruii nu posed instrument metabolic, aceste elemente genetice trebuie s invadeze (infecteze) celulele i s foloseasc ribozomii, enzimele i potenialul catabolic al celulei gazd pentru a se putea reproduce. Bacteriile, animalele i plantele sunt susceptibile la anumii virui. Genomul viral este mult mai mic dect sistemele bacteriene. Unul dintre cei mai mari genomi virali are 190 de kilobaze comparativ cu 590 de kilobaze, ct are cel mai mic sistem bacterian.1

    1 Kilobaz unitate de lungime pentru fragmente de DNA egal cu 1000 de nucleotide;

    30

    Nucleotid subunitate de DNA sau RNA format dintr-o baz azotat (purin, adenin, guanin, pirimidin, timin, citozin, uracil i o molecul de zahar (dezoxiriboz sau riboz);

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare Viruii nu sunt restricionai la prezena lanurilor duble de DNA ca material genetic. DNA-ul viruilor poate fi un lan simplu n timp ce RNA, ca lan simplu sau dublu poate servi ca material genetic. Materialul genetic viral este localizat n interiorul unei proteine numite nucleocapsid. Aceast form neobinuit de material genetic creeaz probleme unice n replicarea genomului i producerea de mRNA. Genomul poate de asemenea s fie segmentat n mai multe molecule n interiorul cutii proteice. Cuca proteic const dintr-un numr de subuniti proteice (capsomere) care fiecare formeaz cte o spiral sau o structur cu 20 de fee (icosaedru) n jurul acidului nucleic. Aceste aranjamente sunt cele mai eficiente din punct de vedere geometric deoarece minimizeaz numrul de capsomere necesare pentru a acoperi genomul i permit ca s aib loc interaciuni similare cu interaciunile protein-protein ntre subunitile proteice identice i de aceea se pot autoasambla.

    acid nucleic

    capside

    nucleocapside

    capsomer

    nveli proteic

    virus nvelitvirus gol

    Structura unui virus

    Acestea sunt elementele minimale pentru un virion. Unii virui pot avea alte structuri, cum ar fi cozi sau periori, care sunt importante n infecia celulelor. Alii, cu precdere civa virui animali, au anvelope membranoase care nconjoar nucleocapsida. Acestea sunt adugate ca particule florale pe membrana celular. Astfel, aceste lipide din anvelop sunt derivate din celul, dar proteinele pot avea cod de virus nglobat n ele pe perioada multiplicrii virusului. Obiectivul programului de inginerie genetic este de a izola i purifica gene ntr-un proces numit clonare de gene. Strategia urmrit n clonare este de a izola i recupera gene specifice de la un genom mare i complex i de a-l insera ntr-o gen simpl i uor de manipulat. t-DNA (total) este izolat de la un organism i este decupat n piese mai mici folosind o endonuleaz de restricie specific. Enzima de restricie realizeaz o tiere a lanului dublu de DNA ntr-o secven specific (palindrom). Astfel, la sfritul tierii moleculei, se obin secvene simplu nlnuite. Dac aceast preparare a fragmentelor de restricie este amestecat cu un vector de clonare i tierea se face cu aceeai enzim de restricie, moleculele hibride se obin dintr-un fragment de origine DNA inserat ntr-un vector de clonare DNA. Amestecul de molecule recombinate este introdus ntr-o bacterie gazd pentru a genera librria DNA. Aceasta nseamn c clonele bacteriene individuale conin molecule de r-DNA (recombinant). Dac vom examina suficiente clone, probabilitatea ca s gsim toate fragmentele de restricie n sursa de DNA exist. Proiectul Genomul Uman, un efort de a colecta i secvenializa ntregul genom uman a dus la crearea primului cromozom artificial (YAC). Vectorul YAC este de aproximativ 10 kilobaze i accept de la 200 la 800 de kilobaze pereche de DNA i a fost construit n prim faz la fel cu un cromozom eucariotic obinuit. Cea mai studiat gazd de microorganisme pentru r-DNA este Esterichia coli (E. coli). Potenialul su de patogenez uman aduce cteva neajunsuri n producia industrial, iar inabilitatea sa de a secreta enzime face ca metodele de purificare s fie greu de aplicat la scar industrial. Domeniile principale de interes comercial pentru tehnologia de sintetizare de r-DNA este pentru producerea de:

    31

  • Lorentz JNTSCHI

    32

    produi microbieni ca antibioticele; vaccinuri care protejeaz mpotriva viruilor; proteine mamaliene; plante i animale transgenice.

    Aceste tehnici sunt de asemenea folosite pentru studiul bacteriilor care produc degradarea poluanilor mediului ca o metod de a trata bolile genetice.

    Multe proteine mamaliene care au importan medical sunt produse numai n cantiti mici, deoarece este dificil de a fi obinute. Prin clonarea acestor gene, bacteriile pot fi uor utilizate pentru a obine largi cantiti din acestea. Insulina uman, factorul uman de cretere, hormonul paratiroidei i atriopeptina sunt exemple de aceste tipuri de proteine. Tehnologia de producere a insulinei ilustreaz c n afara problemelor ridicare de exprimarea genei i ali pai trebuie considerai cu atenie pentru a produce un produs biologic funcional. Alte produse mamaliene obinute prin inginerie genetic sunt: esutul activator plasminogen (utilizat pentru a dizolva coagulrile din snge), eritropoietina (stimuleaz producerea de celule roii), un numr considerabil de interferoni (compui antivirali) i interleucina (stimuleaz limfocitele T), pentru a meniona doar civa dintre acetia.

    Vaccinurile virale sunt imperfecte deoarece constau din virui mori. Dac nu toi viruii sunt mori, inocularea vaccinului poate cauza infecie. Sistemul nostru imunitar rspunde doar la schelete proteice. Astfel, dac clonm gena proteic viral i producem doar aceast protein, riscul infeciei de pe urma vaccinului poate fi evitat. n unele cazuri, un vaccin efectiv poate fi obinut prin producerea proteinei virale n bacterii. Oricum, n alte cazuri, este ineficient deoarece proteina viral este modificat chimic (de exemplu prin adiia de zaharuri) dup producerea ribozomilor lor. Acest proces nu apare ns n gazde bacteriene. Pentru aceste cazuri, este produs o subunitate de vaccin, n care gena pentru esutul proteic al virusului patogenic este clonat ntr-un virus inofensiv, cum ar fi vaccinia.

    Tehnicile de recombinare a DNA sunt utilizate pentru a produce modificri n plante (plante transgenice). Un DNA strin poate fi introdus n plant prin metode fizice, ca electroforeza sau tunul cu particule sau pe cale biologic cu ajutorul bacteriei Agrobacterium tumefaciens. Cest patogen de plant induce formarea tumorii n plante prin inserarea prii sale de plasmid Ti DNA n cromozomii plantei. Plasmidul Ti poate apoi servi ca vector pentru inserarea lui DNA strin n celula plantei. La unele specii, celulele plantei crescute n cultur pot fi utilizate pentru regenerarea ntregii plante.

    Animalele transgenice pot fi produse prin injectarea lui r-DNA n ou fertilizate. Noile descoperiri n cercetarea biomedical se ateapt ca s fie fcute prin aceast tehnic. n plus, aceasta poate avea aplicaii comerciale, deoarece proteinele umane produse prin introducerea de gene clonate n animale poate ntrzia procesul care are loc dup translaie, n timp ce aceste modificri nu apar cnd gena este format n bacterii.

    Terapia genetic este o metod terapeutic care permite modificarea unei gene disfuncionale direct la pacient. Prima boal care a fost tratat pe aceast cale a fost deficiena de deaminaz adenozinic.

    3.5. Microbiologie Industrial n ultimii 100 de ani, culturile pure de microbi au fost utilizate pentru a se obine produi cu valoare comercial. Termenul de ferment, cnd este folosit n contextul microbiologiei industriale desemneaz o gam variat de procese microbiene desfurate n condiii aeroba sau anaerobe. Mai recent, bacteriile produse pe calea ingineriei genetice au fost crescute la scar industrial pentru a produce substane care acestea nu le produc n mod uzual. De notat c microbiologii folosesc termenul de fermentaie n dou contexte diferite. n contextul metabolismului fermentarea refer creterea n absena unui receptor electronic extern, n timp ce n contextul microbiologiei industriale, acest termen refer creterea unor mari cantiti de

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare celule. Microorganismele industriale sunt selectate iniial din probe naturale sau luate dintr-o colecie de cultur deoarece ele nu arat capacitatea de a sintetiza produsul dorit. Oricum, conformaia este modificat pentru a mrii randamentul produsului. Aceasta presupune un ntreg lan de mutaii, cu selecia atent a clonelor rare care sintetizeaz un mai mult sau mai bun produs. Conformaia aleas este puin probabil s supravieuiasc n natur, deoarece procesul de selecie a alterat controlul regulator al celulei pentru a produce dezechilibrul metabolic. Caracteristicile urmrite sunt: cretere rapid; stabilitate genetic; absena toxicitii umane; dimensiune mare a celulei, pentru extragere simpl din mediul de cultur.

    Exist cteva colecii de culturi importante care depoziteaz i menin material genetic de la cele mai importante microorganisme.

    n Statele Unite, American Type Culture Collection (ATCC) este probabil cea mai cunoscut, ns de asemenea Northern Regional Research Laboratory (NRRL) este de asemenea bine cunoscut. n Romnia exist de asemenea o banc de gene la Suceava (Suceava Gene Bank), specializat n depozitarea i conservarea de gene de plante. Microbiologii din industrie trebuie s fie capabili s produc masa microbian propriu zis, enzime specifice, i metabolii.

    Banca de Gene din Suceava (aprilie 2001)

    Depozitarea genelor la Banca de Gene din Suceava (aprilie 2001)

    Metaboliii pot fi produsele majore ale catabolismului sau compui produi normal n cantiti mici de speciile naturale. Industria microbiologic depinde de scara la care se practic. Altfel, microbiologii din industrie cultiv organismele n multe moduri, la fel ca i ceilali microbiologi, iar obiectivul este de a produce cantiti foarte mari, uneori msurate n milioane de litrii odat. Industria farmaceutic este un important utilizator de microbi. Pentru muli ani, antibioticele i hormonii steroizi au fost produi de microbi. Ingineria genetic a fcut posibil ca bacteriile s produc o mare varietate de substane mamaliene care sunt importante din punct de vedere medical.

    n agricultur bacteria din genul Rizobium a fost adugat seminelor de legume unde, urmnd formarea nodulilor din planta gazd, ea captureaz sau fixeaz azotul atmosferic i astfel reduce cantitatea de ngrminte pe baz de azot necesare pentru plant.

    Cteva substane speciale sunt mult mai economicos de produs de microbi. Acestea includ civa aminoacizi i vitamine.

    CH3

    CH3

    CH3 CH3 CH3

    CH3 CH3 CH3

    H3C

    CH3

    -Carotene (Provatene, Carotaben, Solatene)

    O

    OHHO

    HCOHCH2OH

    O

    Vitamin C (Ascorbic Acid, Cevitamic Acid, Testascorbic)

    33

  • Lorentz JNTSCHI

    HO

    CH2

    HH

    H3CH3C CH3

    CH3

    CH3

    Vitamin D2

    (Calciferol, Ergocalciferol, Radsterin)

    OH

    CH3

    H3C CH3CH3 CH3

    Vitamin A (Biosterol, Acon, Afaxin, Apostavit, Atav)

    O

    O

    CH3

    Vitamin K3 (Menadione, Vitamin K2(0), Panosine)

    N

    CH2OHCH2OH

    HO

    H3C Vitamin B6 (Pyridoxine)

    NH2COCH2CH2

    H H

    H CH2OHOH

    H

    CH3

    CH3

    H3C CH

    CH2

    NH

    CO

    CH2

    CH2

    NC

    H3C

    H

    HCH3NH2COCH2

    H

    H3C

    NH2COCH2

    H3C

    CH3

    CH2CONH2

    CH3

    H

    H

    CH2CH2CONH2

    CH3

    CH3

    CH2CH2CONH2

    NN

    NN

    N

    OO

    OPO

    O

    N

    Co+

    Vitamin B12 (Cyanocobalamin, Antipernicious anemia principle) Solvenii industriali, cum sunt alcoolii i acetona se pot produce prin fermentaie

    microbian. Oricum, n prezent este mai ieftin s se obin acestea pe baz chimic din petrol. Muli dintre cei mai importani metabolii industriali sunt metabolii secundari, produi n faza staionar a culturii dup ce producia de biomas a fost epuizat. Aceti compui nu sunt eseniali pentru creterea microbului. Sinteza lor este n mod obinuit n mare msur regulat de celul. n consecin, pentru a obine randamente mari, condiiile de mediu care afecteaz

    34

  • Microbiologie, Toxicologie i Studii Fitosanitare mecanismele regulatoare ca inhibiia de represiune i de reacie invers trebuie s fie evitate. n plus, descendenii mutanii care asigur o producie superioar a compusului sunt selectai.

    n metabolismul secundar, se pot distinge 2 faze: trofofaza2 i idiofaza3. Trofofaza este faza de cretere a culturii iar idiofaza este timpul n care metaboliii secundari se formeaz. Succesul idiofazei depinde de trofofaz.

    celule

    creterea substratului

    metabolitulprimar

    Celulele i metabolitul sunt produse (aproape) simultan

    creterea

    substratului

    celule metabolitulprimar

    metabolitul secundar

    creterea substratului

    celule metabolitulprimar

    metabolitul secundar

    Dup ce celulele i metabolitul primar sunt produse celulele convertesc metabolitul primar n

    metabolitul secundar i dup ce celulele i metabolitul primar sunt produse, creterea de substrat este folosit pentru sintetizarea metabolitului secundar

    Dup ce un microorganism corespunztor a fost identificat din studii de laborator pentru un proces industrial, nc mai sunt un numr de probleme de trecere de la faza de laborator la faza de producie industrial. Acestea includ asigurarea unei aerri corespunztoare ncontinuu n masa din vasul de fermentare. Dificultile sunt implicate de volumul enorm de amestec, de zonele unde amestecarea este mai puin eficient i de coninutul mare de biomas din vasul de fermentare.

    Biomasa mare este de ateptat s creasc cantitatea de