microbiologie generala

Author: stefanfabian

Post on 20-Jul-2015

175 views

Category:

Documents


4 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

CURS I INTRODUCERE Obiectul de studiu al microbiologieiObiectul de studiu al microbiologiei este biologia microorganismelor, mai precis forma, structura i activitatea fiziologic a acestora. Microorganismele sunt organisme mici, vizibile doar la microscop. Deoarece micros (gr.) = mic, bios (gr.) = via, logos (gr.) = tiin, termenul de microbiologie ar nsemna tiina despre organisme cu via scurt, provenind de la cuvntul microb, introdus de Sedillot (1878). Acest termen se refer n special la microorganismele patogene i, dei frecvent folosit, nu este tiinific. Noiunea de microorganism nu are semnificaie taxonomic, deoarece reunete un grup foarte vast, heterogen de organisme diferite ca poziie sistematic, dar care prezint o serie de caractere comune: - au dimensiuni microscopice, dimensiunile lor se exprim n m (10-6m), iar ale organitelor lor n nm (10-9m) sau chiar n (10-10m); - prezint organizare n general unicelular, sub dou forme: o celule de tip procariot o celule de tip eucariot. Chiar dac unele microorganisme formeaz asociaii pluricelulare, acestea nu prezint difereniere celular pentru a forma esuturi i organe, iar o celul izolat din aceste asociaii i pstreaz viabilitatea, crete, se divide i reface asociaia; - structura lor intern este n general simpl. Heterogenitatea microorganismelor este definit prin alte caracteristici: - poziia sistematic diferit; - activitatea biologic divers; - morfologia i structura intern a diferitelor grupe de microorganisme sunt de asemenea diverse. n categoria microorganismelor intr: - celule procariote: o Eubacterii (bacterii adevrate) o Cianobacterii (bacterii albastre-verzi) o Actinomicete (bacterii filamentoase, cu organizare de tip micelial) o Arhebacterii (microorganisme foarte asemntoare din punct de vedere morfologic i structural cu bacteriile adevrate, care se gsesc n medii de via variate i corespund bacteriilor extremofile) - celule eucariote: o Fungi microscopici, care includ: levuri (drojdii) mucegaiuri (fungi filamentoi, cu organizare pluricelular) o Alge microscopice o Protozoare. Microbiologia studiaz i virusurile i entitile moleculare infecioase cu organizare subviral (viroizii i prionii), dei acestea nu sunt microorganisme i nu au structur celular.

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

Clasificarea diferitelor domenii se poate face dup criterii taxonomice (bacteriologie, virologie, algologie, micologie, protozoologie), dup criterii funcionale (fiziologia, biochimia, ecologia, genetica microorganismelor), dup mediul din care provin microorganismele (microbiologia solului, hidromicrobiologia, geomicrobiologia) i dup aplicaiile practice ale diferitelor categorii de microorganisme (microbiologie industrial, medical, biotehnologia). Ecologia microorganismelor studiaz legitile generale de evoluie i interaciune a microorganismelor n natur, interaciunile dintre microorganisme i interrelaiile microorganismelor cu macroorganismele. Genetica microorganismelor studiaz substratul molecular al ereditii i variabilitii microorganismelor i mecanismele de transfer al materialului genetic la bacterii. Microbiologia solului studiaz ansamblul microorganismelor din sol, rolul lor n fertilitatea solului i n circuitul elementelor biogene n natur, precum i interaciunile dintre aceste microorganisme i plante. Hidromicrobiologia studiaz microorganismele din mediile acvatice i rolul lor n lanurile trofice. Geomicrobiologia studiaz n principal microbiologia petrolului, avnd un pronunat caracter utilitar. Studiaz rolul microorganismelor n geneza petrolului i a zcmintelor minerale, posibilitatea utilizrii acestora n exploatarea, biodegradarea sau recuperarea petrolului i zcmintelor. Microbiologia insectelor studiaz relaiile dintre microorganisme i artropode, care pot avea un rol important ca vectori n patologia uman, animal i vegetal. Microbiologia industrial s-a dezvoltat pornind de la descoperirea proceselor fermentative de ctre Louis Pasteur. Ea studiaz utilizarea diferitelor microorganisme productoare de substane utile pentru alimentaie, terapeutic sau industrie. Microbiologia medical studiaz microorganismele patogene pentru om i animale, patogenitatea i virulena acestora, factorii care condiioneaz virulena, modul lor de transmitere i modalitile de combatere. Microbiologia general este o tiin biologic fundamental, care studiaz particularitile organizrii structurale i funcionale ale celulei bacteriene, biologia i sistematica bacteriilor, rspndirea lor n natur, relaiile lor ecologice cu alte microorganisme sau cu macroorganismele, originea i evoluia lor, fenomenele de ereditate i variabilitate microbian. Este o tiin de sintez i se bazeaz pe date din domeniile aplicative ale microbiologiei. Cunoaterea principiilor fundamentale ale microbiologiei generale este o necesitate pentru orice biolog, indiferent de domeniul su de activitate.

Istoricul microbiologieiDescoperirea microorganismelor dateaz din 1676, cnd olandezul Anton van Leevenhoek a examinat picturi de ap din diferite surse naturale, picturi de saliv, picturi de puroi cu ajutorul unui un aparat optic propriu de mrire a imaginii. Cu ajutorul acestui microscop special, care mrea de 270 de ori, el a observat o lume fascinant, ntr-o micare perpetu. n descrierile sale, printre alte organisme, se recunosc i bacteriile, pe care Leevenhoek le-a denumit animalcule, considerndu-le nite pui ale animalelor acvatice mai mari. El nu a sesizat noutatea lumii pe care a vzut-o, de aceea, dei 24 aprilie 1676 este considerat ziua de natere a microbiologiei, Leevenhoek nu este considerat ntemeietorul microbiologiei ca tiin. Botanistul Carl Linaeus, n lucrarea sa Systema naturae (1735), grupeaz sistematic toate vieuitoarele cunoscute, introducnd microorganismele n categoria chaos. ntemeietorul microbiologiei ca tiin este considerat Ferdinand Cohn (1875), cercettor care a intuit caracterele aparte ale microorganismelor, iar lucrrile lui Louis Pasteur (1822 - 1895) au avut o importan deosebit pentru evoluia acestei tiine. Pasteur a nfiinat primele laboratoare de cercetare microbiologic i a studiat procesele fermentative. A demonstrat c fermentaiile sunt procese biologice produse de aciunea unor

microorganisme facultativ anaerobe, fiecare fiind determinat de o categorie specific de germeni. A studiat bolile fermentaiilor, cauzate de contaminarea acestora cu organisme strine care le deviaz cursul normal i a pus la punct o metod de evitare a contaminrii fermentaiilor cu ageni nedorii (pasteurizarea). A nlturat concepia generaiei spontanee care data din antichitate, conform creia vieuitoarele ar putea s apar spontan din materie organic. Prin experimentele sale cu baloane de sticl prevzute cu un tub n form de gt de lebd, a demonstrat c de fapt vieuitoarele aprute spontan erau contaminani din aer i ap. Pasteur a pus la punct teoria originii microbiene a bolilor infecioase studiind mbolnvirea viermilor de mtase i a deschis era prevenirii bolilor infecioase prin vaccinarea antibacterian i antiviral, practic medical de o importan deosebit, ce a dus la crearea unui domeniu nou, imunologia. Medicul german Robert Koch a avut contribuii importante la dezvoltarea domeniului bacteriologiei, fiind considerat fondatorul acestei ramuri microbiologice. Este cel care a introdus n practica de laborator folosirea mediilor solide pentru cultivarea tulpinilor bacteriene. A descoperit mai multe specii de bacterii patogene, printre care bacilul tuberculozei i vibrionul holerei. n urma cercetrilor pe animale de laborator a elaborat principiile generale prin care un anumit germen poate fi considerat agentul etiologic al unei boli (cele 4 postulate ale lui Koch): 1. Microorganismul trebuie s fie gsit cu regularitate n leziunile bolii respective; 2. Microorganismul trebuie s fie izolat de la gazda infectat i cultivat ntr-o cultur pur; 3. Inocularea culturii pure obinute n laborator la un animal sensibil trebuie s reproduc boala; 4. Microorganismul trebuie s se regseasc din nou cu regularitate la noua gazd n leziunile caracteristice bolii. Microbiologul rus Ilia Ilici Mecinikov (1845 - 1916) a studiat digestia intracelular a particulelor de carmin la echinodermele marine la Institutul Pasteur de ctre celule pe care le-a denumit fagocite i a emis ipoteza c astfel de celule exist i n organismele umane i animale. Prin descrierea fenomenului de fagocitoz a pus bazele teoriei imunitii celulare. Biologul rus Dimitri Ivanovski (1864 - 1920) a descoperit n 1892 virusul mozaicului tutunului (VMT), ntemeind tiina numit virusologie. Natura particular a virusurilor a fost intuit n 1897 de ctre Martinus Willem Beijerinck, microbiolog i botanist olandez, care le-a denumit contagium vivum fluidum. Alexander Fleming a descoperit n 1921 lizozimul i n 1929 penicilina, antibiotic produs de Penicillium notatum, care a fost ulterior purificat de ctre savanii britanici Florey i Chain (1940). Cei trei cercettori au primit n 1945 Premiul Nobel pentru medicin pentru descoperirea acestui antibiotic. Winogradski este considerat ntemeietorul microbiologiei solului. La noi n ar, realizri de marc n domeniul microbiologiei au aparinut lui Victor Babe (1854 - 1926), care a lucrat la Institutul Pasteur din Paris i a fost colaborator al lui Robert Koch. El a studiat numeroase boli (lepra, holera, tuberculoza, turbarea, febra tifoid), descoperind peste 50 de microbi. mpreun cu Victor Cornil a scris n 1885 primul tratat de bacteriologie din lume, intitulat Les bactries et leur rle dans l'anatomie et l'histologie pathologiques des maladies infectieuses. A descris corpusculii Babe-Negri n creierul animalelor moarte de turbare, importani pentru diagnosticul bolii, precum i corpusculii Babe-Ernst din citoplasma unor bacterii Gram pozitive. Ioan Cantacuzino (1863 - 1934), ntemeietorul Institutului din Bucureti care i poart azi numele, a fost elev al lui Mecinikov, studiind imunitatea i fagocitoza la nevertebrate, dar i numeroase boli ca scarlatina, holera, tuberculoza, difteria, producnd numeroase seruri i vaccinuri pentru prevenirea diferitelor boli infecioase.

A emis prima lege sanitar din Romnia (1910) i a avut contribuii importante la dezvoltarea nvmntului medical romnesc. Ali cercettori romni care au avut contribuii la dezvoltarea microbiologiei ca tiin au fost Constantin Ionescu Miheti (1883 - 1962), cu realizri n prevenirea infeciilor poliomielitice, Mihai Ciuc (1883 - 1969), renumit pentru descoperirea fenomenului de lizogenie determinat de bacteriofagi, Dumitru Combiescu (1887 - 1961) care a studiat antraxul, leptospirozele, rickettsiozele, Nicolae Nestorescu (1901 - 1969), continuator al colii create de Ioan Cantacuzino, Constantin Levaditi, tefan S. Nicolau, cu studii asupra virusurilor hepatitice, herpetice, asupra oncogenezei i imunologiei virale. Interesul pentru studiul microorganismelor este ntr-o continu cretere, de la descoperirea lor pn astzi, deoarece numeroase specii fie sunt benefice pentru activitatea omului, fie produc infecii la om, animale sau plante. Bacteriile sunt importante i din punct de vedere teoretic, nu numai practic, pentru studiul proceselor vieii n condiii extreme.

Poziia microorganismelor n lumea vien sistemul de clasificare a lumii vii propus de Aristotel, erau precizate dou regnuri, Plantae (n care se ncadrau i Virophyta, Bacteriophyta i Fungi) i Animalia (care cuprindea i protozoarele). Ulterior Hogg (1860) i Haeckel (1866) au propus mprirea n 3 regnuri: Protista, Plantae i Animalia. Clasificarea protistelor n dou categorii (inferioare - procariote i superioare - microeucariote), a fost propus de Stanier (1864). Copeland a propus n 1938 sistemul celor 4 regnuri: Monera (bacterii i cianobacterii), Protista (organismele eucariote inferioare, de regul unicelulare: microalge, fungi, protozoare), Plantae i Animalia. n 1969 Whittaker a propus un nou sistem de clasificare, n 5 regnuri: - Monera (organisme unicelulare, cu organizare de tip procariot: bacterii, cianobacterii, actinomicete); - Protista (microorganisme eucariote: alge microscopice, fungi acvatici flagelai, protozoare); - Fungi (organisme eucariote imobile, ce formeaz spori); - Plantae (plante nevasculare i vasculare); - Animalia (organisme pluricelulare, cu nutriie de tip ingestiv). Ulterior, Bergey a schimbat numele regnului Monera n cel de Procaryota. Criteriile de clasificare n 5 regnuri se bazau pe trei niveluri de organizare: procariot, eucariot unicelular i eucariot pluricelular, dar i pe modalitile de nutriie: fotosintetic, absorbtiv, ingestiv. Acest sistem de clasificare evideniaz heterogenitatea microorganismelor. Rezultatele cercetrilor la nivel molecular au artat c sistemul de clasificare a lumii vii n 5 regnuri nu este corect din punct de vedere filogenetic, cele dou regnuri de microorganisme eucariote (Protista i Fungi) fiind artificiale. Deoarece o prim divizare a lumii vii trebuie s se fac n procariote i eucariote, sistemele moderne de clasificare rezerv bacteriilor o poziie sistematic aparte. Virusurile constituie o categorie aparte de ageni infecioi. Ele sunt entiti moleculare infecioase fr organizare celular i nu se pot ncadra alturi de celelalte microorganisme.

CONCEPTUL DE BACTERIE Bacteriile sunt microorganisme procariote unicelulare, care au fost recunoscute ca grup distinct. Stanier a descris conceptul de bacterie, oferind posibilitatea gruprii

microorganismelor pe criterii tiinifice i nu printr-un acord convenional. Conceptul de bacterie trebuie definit n funcie de organizarea de tip procariot i numai prin antitez cu celula eucariot. Celula procariot este mai puin complex, ea reprezint unitatea de structur a bacteriilor i cianobacteriilor. Celula eucariot, complex, este unitatea de structur a tuturor celulelor algelor, fungilor, briofitelor, plantelor vasculare i animalelor. Diferena dintre procariot i eucariot reprezint cea mai mare discontinuitate evolutiv prezent n lumea vie, deoarece ntre cele dou tipuri nu se cunosc structuri intermediare. Principalele caractere difereniale ntre celula de tip procariot i cea de tip eucariot sunt prezentate n tabelul urmtor. Caracterul DimensiuniProcariote Foarte mici, 1-10; unele pot fi mai mari, spiralate saude tip filamentos, dar celulele sunt identice n cadrul filamentului Prezent constant la bacterii, cu o structur caracteristic; necesar existenei acestora n condiii naturale; n compoziia peretelui intr constant mureina (marker biochimic al celulei bacteriene), iar la unele bacterii se ntlnesc i acizii teichoici, acidul diaminopimelic. Structural asemntoare cu cea a eucariotelor, cu particulariti datorate compoziiei chimice: - permeabilitate selectiv; doar unele substane liposolubile, fragmentele mici de ADN, apa, enzimele degradative, unii anioni strbat membrana; - bacteriile dispun de sisteme membranare de transport activ (permeaze de natur proteic, precum i proteine de legare, cu funcia de a asigura transportul substanelor prin membrane) - sterolii lipsesc din compoziia chimic a membranei (cu excepia micoplasmelor). n stare de gel permanent, n lipsa membranelor interne i a curenilor citoplasmatici menine intacte structurile intracelulare; schimburile dintre celula bacterian i mediul extracelular se fac direct, fr necesitatea unei circulaii interne a substanelor. Lipsesc la procariote. Eucariote Celule mai mari, 10-100 ; unele sunt microorganisme; cele mai multe sunt uniti de structur ale organismelor de talie mare Exist diferene ntre celulele animale (delimitate doar de membran celular, fr perete celular) i celulele vegetale sau ale fungilor, la care peretele celular este prezent i are o compoziie chimic variat (celuloz, polioze, Si). Celulele animale au membrana caracterizat printr-o mare plasticitate, capabil de endocitoz (fagocitoz sau pinocitoz). Cele vegetale i fungii au membrana acoperit de peretele celular rigid, care i anuleaz proprietile speciale. Sterolii sunt prezeni n mod constant.

Peretele celular

Membrana plasmatic

Citoplasma

Exist o permanent tranziie reversibil gel sol, cureni citoplasmatici i structuri membranare intracelulare.

Organitele

Mitocondriile sunt eseniale i

celulare

perfect delimitate; cloroplastele sunt prezente la plantele capabile de fotosintez.

Structura i funciile materialului genetic

Organizarea materialului genetic, sediul acestuia i raportul cu citoplasma Procariotele nu prezint un nucleu propriu-zis; materialul nuclear, sediu al informaiei genetice bacteriene, se gsete scufundat n citoplasm ntro zon numit nucleoplasm, n contact direct cu citoplasma, neprotejat de o membran nuclear. Este denumit nucleosom (nucleoid) i e reprezentat de o molecul de ADN dublu catenar, circular, covalent nchis.

Structura molecular a materialului genetic Informaia genetic bacterian e de dou feluri: esenial, absolut necesar existenei celulei, caracteristic speciei bacteriene n ceea ce privete compoziia n baze azotate G+C (nucleosomul) i accesorie (plasmidele), reprezentat de uniti genetice extracromozomale, de dimensiuni mai mici, constituite tot din molecule de ADN dublu catenar, circular, covalent nchis. Mecanismul replicrii materialului genetic Replicarea este de tip semiconservativ: are loc desfacerea celor dou catene ale moleculei de ADN la bifurcaia de replicare, fiecare caten separat fiind folosit pentru sinteza unei catene complementare. Fiecare molecul dublu catenar nou format are o caten veche i una nou sintetizat complementar.

Sediul i mecanismul traducerii informaiei genetice Informaia genetic e tradus n citoplasm la nivelul ribozomilor 70S, structuri tipice specializate pentru aceast funcie. Informaia genetic e nscris continuu n cadrul moleculei de ADN, prin transcrierea ei rezult un ARN mesager i prin traducere proteinele.

Organizarea materialului genetic, sediul acestuia i raportul cu citoplasma Informaia genetic e disociat n nucleu i n organitele celulare (mitocondrii i cloroplaste). Materialul nuclear e separat de citoplasm printr-o membran nuclear dublu stratificat i este organizat n cromozomi. Informaia genetic din organite este protejat prin membranele organitelor respective. Structura molecular a materialului genetic Informaia genetic din nucleu este reprezentat de un numr constant, caracteristic speciei, de cromozomi, care reprezint molecule de ADN asociate cu histone, cu o structur caracteristic. Informaia genetic din organitele celulare este sub form de molecule de ADN dublu catenar, circular, covalent nchis. Mecanismul replicrii materialului genetic Informaia genetic nuclear urmeaz procesul caracteristic de mitoz, cu fazele caracteristice i cu apariia fusului de diviziune. n ciclul celular al eucariotelor prima faz (G1) este lipsit de sinteze, nucleul diploid (2n) este n interfaz, faza de sintez de ADN (S) duce la dublarea informaiei genetice (4n), urmeaz o faz de eclips (G2) care este 4n i mitoza care reface structurile 2n. Informaia genetic din organitele celulare se replic semiconservativ, la fel ca la procariote. Sediul i mecanismul traducerii informaiei genetice Informaia genetic nuclear este tradus la proteine la nivelul ribozomilor 80S din citoplasm, iar cea a organitelor este tradus la nivelul respectiv cu ajutorul ribozomilor 70S. Eucariotele prezint o structur

discontinu a informaiei genetice, alctuit din secvene codificatoare (exoni) i necodificatoare (introni). Transcrierea duce la formarea unui ARN premesager, netraductibil, care conine secvene exonice i intronice. Maturarea ARN premesager duce la ndeprtarea din molecul a secvenelor intronice i legarea celor exonice ntre ele, rezultnd un ARNm matur, care va fi tradus la proteine.

Echipamentul enzimatic oxidativ i de fotosintez

Tipul de diviziune

Procesele de sexualitate

Mecanismele de trasfer de material genetic

Mecanisme de infectare cu virusuri n condiii experimentale

Este nempachetat n structuri specifice, dispus difuz la nivelul membranei plasmatice i a diverticulilor rezultai din aceasta. La nivelul membranei i al mezozomilor se gsete sinergonul respirator (ansamblul reaciilor chimice care duc la realizarea unei anumite ci metabolice, catalizate de o serie de enzime ce acioneaz regulat pentru a ndeplini un anumit proces). - Diviziunea simpl, simetric: celula crete progresiv pn la un punct critic, apoi se divide formnd dou celule fiice identice; - Diviziunea asimetric prin nmugurire; - Diviziuni multiple prin fragmentare la bacteriile filamentoase. Lipsete aparatul mitotic, repartizarea egal a informaiei genetice este asigurat de mezozomi. Sunt absente; exist ns procese de protosexualitate, care constau n transferul de material genetic de la o celul donatoare () la o celul acceptoare (). Caracterul de masculinitate este determinat de prezena unei plasmide (factor de sex, F), transferul este unidirecional, celulele nu fuzioneaz, ci se formeaz o celul numit merozigot (zigot parial). Transferul de material genetic se face intraspecific, interspecific, chiar intergeneric, prin: - conjugare bacterian - transformare bacterian - transducie fagic - sexducie Datorit existenei peretelui celular, infectarea bacteriilor cu un bacteriofag specific se face prin injectarea genomului fagic n celula bacterian, nveliul proteic rmnnd la exterior.

Este mpachetat n structuri caracteristice: mitocondrii, cloroplaste. Sinergonul respirator i cel al fotosintezei sunt autonome, localizate n structuri specifice.

Exist un aparat mitotic, care asigur repartizarea informaiei genetice n cadrul mitozei, cu faze caracteristice.

Procesele de sexualitate sunt frecvente, caracterizate prin formarea gameilor haploizi, precedat de meioz; zigotul care rezult prin unirea gameilor este un zigot propriu-zis, diploid (2n).

Prezint fuziunea gameilor, care este intraspecific, urmat de fuziunea nuclear.

Celulele animale se infecteaz cu virusurile integrale prin endocitoz, formnd o vacuol derivat din membran. Celulele vegetale se pot infecta cu

virusuri integrale doar dup lezarea mecanic a peretelui celular.

Sensibilitatea la diferite substane inhibitoare

Penicilina inhib sinteza mureinei din structura peretelui celular bacterian. Bacteriile sunt sensibile. Cloramfenicolul, tetraciclinele, streptomicina acioneaz la nivelul ribozomilor 70S. Bacteriile sunt sensibile. Cicloheximida acioneaz la nivelul ribozomilor 80S. Bacteriile sunt rezistente.

Capacitatea de a forma organisme multicelulare Capacitatea de difereniere celular Temperatura maxim de cretere

Penicilina Eucariotele sunt rezistente, deoarece nu au murein. Cloramfenicolul, tetraciclinele, streptomicina Eucariotele sunt rezistente, deoarece ribozomii lor 70S sunt protejai de membranele organitelor n care se gsesc (mitocondrii, cloroplaste). Cicloheximida Eucariotele sunt sensibile. Pot forma agregate multicelulare, dar celulele Uneori celulele eucariote sunt identice ntre ele. ntre celulele unei constituie organisme unicelulare, asociaii pluricelulare pot avea loc interaciuni dar de cele mai multe ori simple, nutriionale, dar celulele i pstreaz formeaz organisme individualitatea i prin diviziune pot reface multicelulare. asociaia. Procariotele sunt incapabile de difereniere Au capacitate mare de celular, cu excepia bacteriilor sporogene. difereniere, de la structurile Formarea sporilor de rezisten reprezint o sexuale pn la celule nalt form primitiv de difereniere. difereniate, ca neuronul . Eubacteriile cresc maxim pn la 95C, Eucariotele cresc maxim pn la arhebacteriile pn la 110C. 60C.

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

CURS 2 MORFOLOGIA BACTERIILOR Forma celulelor bacteriene Forma bacteriilor este controlat genetic i este n strns corelaie cu peretele celular cu un anumit grad de rigiditate. Dei ntr-o cultur pur forma bacteriilor poate varia n funcie de condiiile de mediu, forma caracteristic unei specii date este predominant n populaia bacterian respectiv. Forma bacteriilor este un criteriu taxonomic important. Ea se apreciaz n urmtoarele condiii: - n culturi pure, n condiii artificiale, de laborator; - n culturi bacteriene tinere, aflate n faza activ de cretere; n culturile mbtrnite apar forme aberante necaracteristice (filamentoase, ramificate), datorit degenerrii celulare; - n culturi aflate n condiii de cultur corespunztoare: medii de cultur adecvate, condiii optime de pH, temperatur, concentraie a oxigenului; n condiii improprii de cultivare apar aciuni nocive, care determin alterri ale formei i morfologiei bacteriene. Principalele tipuri morfologice bacteriene sunt: - forma sferic (sferoidal), corespunde celulelor izodiametrice numite coci (de la coccus (lat.) = smn); cocii pot fi: o perfect sferici ex. Staphylococcus aureus o uor ovoidali ex. Streptococcus pyogenes o coci lanceolai ex. Streptococcus pneumoniae (iniial denumit Diplococcus pneumoniae) o coci cu aspect reniform ex. Neisseria meningitidis - forma sferic ovalar, intermediar ntre coci i bacili, corespunde cocobacililor - ex. Pasteurella pestis - forma cilindric, alungit, de bastona drept sau uor curbat, corespunde bacililor; acetia pot avea: o extremitile rotunjite ex. Bacillus subtilis o extremitile drepte ex. Bacillus anthracis o extremiti n form de picot sau mciuc ex. Corynebacterium diphteriae o extremiti ascuite (fusiforme) ex. Fusobacterium fusiforme - forma spiralat, elicoidal, care prezint cteva subtipuri: o vibrionul, cu form de virgul sau semilun ex. Vibrio cholerae o spirilul, cu mai multe ture de spir rigide ex. Spirillum volutans o spirocheta, cu mai multe ture de spir flexibile ex. Treponema pallidum - forma filamentoas, ntlnit la actinomicete (bacterii asemntoare cu fungii); e constituit din filamente lungi i ramificate, asemntoare unor micelii ex. Actinomyces israeli - forma ptrat este caracteristic unor bacterii incluse n genul Quadra, evideniate n unele ape hipersaline din Sinai (Walsby, 1980); aceste bacterii formeaz placarde de 8-16 ptrate cu latura ntre 1,5 i 11m, cu o grosime inegal.

(dup Kayser, Thieme, 2005)

Gruparea bacteriilor Bacteriile sunt organisme unicelulare, care se multiplic de obicei prin diviziune direct. La unele specii, dup diviziune are loc separarea complet a celulelor fiice, astfel nct rezult indivizi izolai. La alte specii, dup diviziune celulele fiice rmn ataate una de cealalt, formnd grupri caracteristice speciei bacteriene. Modul de grupare a doi sau mai muli indivizi bacterieni depinde de orientarea n spaiu a planurilor de diviziune succesive. Gruparea cocilor Bacteriile sferice (cocii) se pot ntlni ca indivizi izolai (cocul simplu) sau sub forma unor grupri de doi sau mai muli coci: - diplococi diviziunea se face dup planuri succesive paralele, celulele rmn grupate cte dou ex. Streptococcus pneumoniae, Neisseria meningitidis - streptococi planurile de diviziune succesive multiple sunt paralele, formndu-se n final iraguri de celule de dimensiuni variabile ex. Streptococcus pyogenes - tetrad - planurile de diviziune succesive sunt perpendiculare unul pe cellalt, rezultnd grupri de 4 celule ex. Micrococcus tetragenes - sarcin - planurile de diviziune succesive sunt perpendiculare unul pe cellalt i orientate n trei direcii diferite, rezultnd grupri de celule cu o simetrie cubic ex. Sarcina flava - stafilococi - planurile de diviziune succesive sunt orientate neregulat n spaiu, astfel nct forma final a gruprii celulare este asemntoare cu un ciorchine ex. Staphylococcus aureus Gruparea bacililor Bacteriile alungite (bacilii) se pot ntlni ca indivizi bacterieni izolai (bacilul simplu) sau sub forma unor grupri formate n funcie de orientarea planurilor de diviziune succesive: - diplobacil - diviziunea se face dup planuri succesive paralele, celulele rmn grupate cte dou ex. Klebsiella pneumoniae - streptobacil - diviziunea se face dup planuri succesive paralele, mai multe celule rmn unite ex. Bacillul cereus - grupri sub forma literelor V, M ori sub form de armonic sau palisad dup diviziune celulele rmn mpreun cte dou sau mai multe, aezate una fa de cealalt sub un unghi ascuit sau de 180 grade ex. Corynebacterium diphteriae ANATOMIA CELULEI BACTERIENE Datorit dimensiunilor mici, organizarea intern a bacteriilor a fost mult timp controversat i chiar contestat, existnd opinia c celulele bacteriene ar fi lipsite de o structur intern sau ar avea una foarte rudimentar. Perfecionarea tehnicilor de laborator (tehnici citologice, tehnici de microscopie electronic) a fcut posibil descrierea a numeroase componente ale celulei bacteriene. Constituenii celulari bacterieni pot fi clasificai n dou categorii, n funcie de poziionarea lor fa de peretele celular:

componente extraparietale: o capsula bacterian o stratul mucos o flagelii o pilii o fimbriile - componente intraparietale: o membrana citoplasmatic o mezosomii o citoplasma o nucleosomul o plasmidele o ribozomii o vacuolele o incluziile o endosporul Unele structuri sunt eseniale pentru viaa celulei i sunt prezente invariabil la toate celulele bacteriene (membrana citoplasmatic, citoplasma, nucleosomul, ribozomii), altele sunt accesorii i pot lipsi la unele bacterii (flagelul, plasmidele, endosporul). Alte structuri apar doar n unele perioade de via ale celulei (incluziile, vacuolele, endosporul).

-

(dup Kayser, Thieme, 2005) Peretele celular bacterian Peretele celular reprezint o structur de nveli bine definit, n general rigid (cu excepia spirochetelor), care delimiteaz celula bacterian. Este situat n afara membranei citoplasmatice, de care ader strns, reprezentnd 20 40% din greutatea uscat a celulei bacteriene.

La microscopul fotonic nu poate fi evideniat la celulele vii, datorit indicelui mare de refracie, dect n urma unor coloraii speciale selective, dar poate fi evideniat la microscopul electronic. Grosimea peretelui celular este de 15 35nm. n funcie de prezena i particularitile de structur ale peretelui celular, n regnul Prokaryotae se disting 4 categorii de bacterii: - Firmacutes (de la firmus (lat.) = tare, cutis = nveli), care cuprinde bacterii cu perete celular gros, rigid, lipsit de o membran extern, caracteristic bacteriilor Gram (+); - Gracilicutes (gracilis (lat.) = subire, fin), care cuprinde bacterii cu perete celular subire, cu o membran extern, caracteristic bacteriilor Gram (-); - Mollicutes sau Tenericutes (mollis, tener (lat.) = moale) cuprinde bacteriile din grupul Mycoplasma, lipsite de perete celular, la care membrana citoplasmatic ce conine steroli devine nveli extern; - Mendosicutes (mendosus = o structur cu defecte), care cuprinde organismele din grupul Archaea, cu un perete celular atipic, din care lipsete mureina, avnd n compoziia lor chimic pseudomurein, ce le permite s triasc n condiii extreme de mediu. Marea majoritate a bacteriilor sunt cuprinse n primele dou categorii, Gram (+) i Gram (-). Structura peretelui celular la bacteriile Gram pozitive La bacteriile Gram pozitive peretele celular este gros (15 30 nm), rigid; componenta sa esenial, care reprezint 80 90% din structura peretelui i asigur rigiditatea peretelui, este mureina (murus = perete), denumit i peptidoglican, glicopeptid, mucopeptid, glucozaminopeptid. Stratul de murein este sensibil la aciunea enzimei lizozim, care atac legturile chimice din structura sa. Mureina este alctuit din dou componente, componenta glicanic (glucidic) i componenta peptidic. Componenta glicanic este format din lanuri paralele polizaharidice alctuite prin legarea alternativ a dou zaharuri aminate: N-acetil-D-glucozamin i acidul N-acetilmuramic. Componenta peptidic este un tetrapeptid, cu o compoziie n aminoacizi variabil n funcie de specie, care conine L-alanin, D-alanin, D-glutamin, L-lizin. Tetrapeptidele se prind pe lanurile glicanice. Tetrapeptidele dintre dou lanuri adiacente se leag ntre ele prin legturi interpeptidice. Cu ct numrul acestor legturi este mai mare, cu att crete rigiditatea peretelui celular. Se formeaz astfel o reea care nconjoar structurile celulare. La acest nivel sunt localizate dou tipuri de enzime ce contribuie la creterea peretelui celular: murein-hidrolazele, care atac legturile chimice ale mureinei i murein-sintetazele, care realizeaz noi constitueni structurali pe care i inser n dreptul rupturilor create. Numai bacteriile Gram pozitive prezint la exteriorul stratului de murein acizii teichoici (teichos (gr.) = zid), polizaharide specifice, sub forma unor molecule polimerice lungi, flexibile, cu aspect tubular. Din punct de vedere chimic acizii teichoici sunt

polimeri de tipul poliribitol-fosfat i 1,3 poliglicerol-fosfat, legai covalent de stratul de murein. Structura peretelui celular la bacteriile Gram negative Bacteriile Gram negative prezint perete celular subire, cu un strat fin de murein sensibil la lizozim, de 0,01 grosime. La aceste bacterii mureina reprezint doar 2,5 10% din greutatea uscat a peretelui. Sacul mureinic este un monostrat molecular, cu structur similar cu cea a bacteriilor Gram pozitive i nu prezint acizi teichoici. Componenta peptidic a peretelui bacteriilor Gram negative conine acid diaminopimelic (derivat al lizinei), punile transversale interpeptidice reunind gruparea NH2 a acidului diaminopimelic cu gruparea COOH a D-alaninei de pe alt lan glicanic. Stratul de peptidoglicani este aderent la membrana citoplasmatic formnd mpreun cu aceasta membrana intern. La exterior stratul de peptidoglicani prezint o membran extern, cu o grosime de 6 20nm, care nu este sensibil la lizozim, ci la EDTA (etilen-diamino-tetraacetat) 30%. ntre cele dou membrane se delimiteaz spaiul periplasmic, care cuprinde stratul de peptidoglicani. Membrana extern are n compoziia sa chimic fosfolipide (35%), proteine (15%), lipopolizaharide (50%) i o structur similar cu cea a membranei citoplasmatice. Fosfolipidele sunt n dublu strat, cu gruprile hidrofile ctre exteriorul membranei i cele hidrofobe ctre interiorul acesteia. Proteinele sunt inclavate n acest dublu strat. Unele proteine (numite porine) strbat complet membrana extern, asigurnd trecerea unor substane din mediu n celule. Lipopolizaharidele (LPS) prezint trei poriuni: lipidul A, legat de stratul de fosfolipide; componenta oligozaharidic numit poriunea central R, care este legat covalent de lipidul A i componenta polizaharidic (antigenul somatic O), variabil ca structur i compoziie chimic, ce determin specificitatea antigenic a celulei bacteriene. n spaiul periplasmic, situat ntre membrana intern i cea extern, se gsesc proteine enzimatice de tipul fosfatazelor, ribonucleazelor i proteine neenzimatice, implicate n transportul substanelor prin membrane, numite proteine de legare. Funciile peretelui celular bacterian Peretele celular bacterian menine arhitectura structural a celulei i forma acesteia, conferindu-i elasticitate i plasticitate. Elasticitatea se refer la capacitatea celulei bacteriene de a-i mri volumul atunci cnd include o cantitate mai mare de ap i de a reveni apoi la volumul iniial. Plasticitatea reprezint capacitatea celulei de a se deforma sub aciunea unei presiuni, fr ca structura sa intern s fie alterat. Peretele celular particip la procesele de cretere i multiplicare bacterian, la procesul de sporogenez i funcioneaz ca o barier de permeabilitate ntre interiorul i exteriorul celulei. Acizii teichoici asigur celulelor bacteriene Gram pozitive concentraii adecvate de ioni metalici n micromediul de la suprafaa celulei, concentraii importante pentru activitatea unor sisteme enzimatice membranare. Ei inhib fagocitoza i mresc astfel gradul de patogenitate al bacteriilor Gram pozitive patogene. Unii acizi teichoici acioneaz ca receptori pentru bacteriofagi.

Membrana extern scade capacitatea de fagocitoz a celulelor gazd fa de bacteriile Gram negative patogene, iar prin intermediul porinelor asigur trecerea unor substane din mediul extracelular n cel intracelular. Antigenul somatic O confer celulelor bacteriene specificitate antigenic, compoziia sa n zaharuri fiind diferit chiar n cadrul aceleiai specii bacteriene. Lipopolizaharidele au rol de endotoxin, rspunztoare de efectele nocive asupra celulelor gazd.

(dup Kayser, Thieme, 2005)

Membrana citoplasmatic Membrana citoplasmatic este o formaiune structural ce acoper de jur mprejur citoplasma bacterian, separnd-o de suprafaa intern a peretelui celular. Grosimea membranei este de 7 10nm. La microscopul electronic apare ca o structur tristratificat, cu dou straturi ntunecate (electronodense), ntre care se gsete un strat mai clar, mai puin electronodens. Pornind de la imaginea electronomicroscopic a membranei, Robertson a numit aceast structur structur n sandwich sau unitate de membran (unit membrane), considernd n mod eronat c cele dou straturi electronodense sunt proteice, iar stratul mijlociu este lipidic. Determinrile biochimice ulterioare au infirmat acest model, deoarece proteinele sunt ntr-o cantitate insuficient pentru a forma dou straturi. Singer i Nicolson au propus n 1972 modelul mozaicului fluid pentru a descrie structura membranei plasmatice. Conform acestui model, membrana plasmatic are structur bidimensional, cu un strat dublu de fosfolipide n care sunt inclavate proteine (un ocean de fosfolipide pe care plutesc iceberguri de proteine). n structura membranei se gsesc fosfolipide, proteine i glucide. Fosfolipidele sunt dispuse ntr-un dublu strat, cu gruprile hidrofobe nepolare fa n fa, reprezentate de doi acizi grai. Extremitile polare hidrofile, reprezentate de o grupare fosfat, sunt orientate spre mediile apoase externe sau interne ale celulei. Moleculele fosfolipidelor se pot deplasa lateral n acelai strat, micare numit turnover, sau se pot deplasa de la un monostrat la altul, proces numit tranziie flip flop. Proteinele sunt inclavate n dublul strat de fosfolipide. Ele pot fi inserate n structura membranei i se numesc proteine integrate (transmembranare i structurale, cele din urm fiind expuse pe suprafaa intern sau extern a membranei) sau pot fi proteine neincluse n structura membranei, numite proteine periferice (de suprafa), care sunt enzime active ctre peretele celular sau ctre citoplasm. Glucidele sunt slab reprezentate n structura membranei plasmatice, ele fiind sub form de glicoproteine sau de glicolipide. Membrana plasmatic reprezint o suprastructur citoplasmatic permanent, esenial pentru viaa celulei, care are rolul de a delimita spaiul celular. Ea este o barier ntre mediul extracelular extrem de variabil i mediul intracelular relativ constant. Permeabilitatea selectiv a membranei este asigurat printr-o asimetrie structural i funcional, care duce la un comportament diferit spre faa sa citoplasmatic n raport cu faa sa dinspre peretele celular. Membrana plasmatic este o structur dinamic, urmare a mobilitii fosfolipidelor i a capacitii de rennoire a constituenilor membranei. Este i o barier osmotic prin permeabilitatea pentru unele tipuri de molecule i impermeabilitatea pentru altele. Rolul membranei plasmatice Prin permeabilitatea sa selectiv, membrana plasmatic este asociat cu transportul substanelor de la exteriorul celulei ctre interiorul acesteia i n sens invers. Unele proteine membranare joac rol de transportori de electroni. La nivelul membranei sunt localizate enzime cu rol n fosforilare (de exemplu ATP-azele), precum i sinergonul respirator i al fotosintezei, echivalentul funcional al mitocondriilor i al cloroplastelor.

Membrana intervine n biosinteza peretelui celular i joac rol de receptor specific pentru substanele utile celulei bacteriene. Membrana intervine n mobilitatea orientat a bacteriei prin recepionarea mesajelor chimice din mediu (prin intermediul proteinelor sale cu rol de chemoreceptori), determinate de substane repelente sau atractante. La nivelul membranei este localizat i corpusculul bazal al flagelului, astfel nct membrana este implicat i n mobilitatea celulei. Membrana plasmatic intervine i n sinteza i eliminarea unor exoenzime i a unor proteine toxice bacteriene (exotoxine), cu rol nociv pentru organismul gazd. Mezosomii Mezosomii (mezos (gr.) = mijloc, soma (gr.) = corp) sunt structuri derivate din membrana plasmatic, ce au deseori poziie median n celul. Ei se mai numesc i corpi de mijloc, plasmalemasomi. Sunt structuri intracitoplasmatice membranare, derivate prin invaginarea membranei, a cror semnificaie biologic a fost controversat. Au fost descrise trei tipuri morfologice de mezosomi: tubulari, veziculari (sacciformi) i lamelari. ntr-o celul bacterian pot exista mai muli mezosomi, mai numeroi, cu structur complex i mai bine dezvoltai la bacteriile Gram pozitive, mai puini i mai greu de observat la bacteriile Gram negative. Structura molecular a mezosomilor este identic cu cea a membranei plasmatice din care provin, cu o grosime de 7 10nm i un dublu strat fosfolipidic n care sunt inclavate proteine structurale i cu rol enzimatic. Mezosomii i au originea n membrana plasmatic, ce crete i se invagineaz datorit faptului c peretele celular rigid crete mai ncet dect membrana. Invaginarea membranei plasmatice duce iniial la formarea unor mezosomi tubulari, apoi la mezosomi veziculari, n final ajungnd la aspectul lamelar. Sunt structuri dinamice, care se formeaz atunci cnd sunt necesari bacteriei. Semnificaia biologic a mezosomilor Unii autori consider mezosomii ca structuri vestigiale, fr semnificaie biologic esenial. Alii consider c mezosomii au funcii multiple n celula bacterian: - Au rol n replicarea i segregarea genomului bacterian i n individualizarea celulelor; - Au rol n controlul replicrii cromozomului bacterian i plasmidelor, prin transmiterea semnalului biochimic de iniiere a replicrii materialului genetic; - Fiind derivai din membrana plasmatic, reprezint mpreun cu aceasta sediul sinergonului respirator, fiind considerai echivalentul funcional al mitocondriei; particip la reacii de fosforilare, oxidoreducere, transport de electroni; - La nivelul lor se gsesc enzime degradative, astfel nct pot fi considerai echivalentul funcional al lizozomilor; - Au rol n procesele secretorii ale celulei, contribuind la producerea i eliberarea unor exoenzime celulare; - Sunt asociai cu procesele de biosintez a nveliurilor celulare (membran plasmatic, perete celular, sept transversal de diviziune); - Unii autori (Tichy i colab., 1969) consider c mezosomii ar reprezenta regiuni specializate de ptrundere n celula bacterian a fragmentelor de ADN exogen n timpul transformrii genetice bacteriene.

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

Tipuri morfologice de mezosomi: A vezicular; B sacciform turtit; C form intermediar; D multilamelar, complex (dup G. Mihescu, 2000) Citoplasma bacterian Citoplasma celulelor bacteriene este un sistem coloidal complex, care din punct de vedere fizic corespunde strii de gel i este format din proteine, glucide, lipide, ap i substane minerale. Starea de gel permanent are ca rezultat o imobilitate a coninutului celular n lipsa curenilor citoplasmatici i reprezint o condiie indispensabil a nemiscibilitii nucleosomului cu citoplasma, avnd n vedere lipsa membranelor intracelulare. Citoplasma bacteriilor nu prezint organite citoplasmatice difereniate i delimitate de membrane (de tipul mitocondriilor i cloroplastelor). Aspectul citoplasmei variaz n funcie de vrsta celulei bacteriene i de condiiile de cultivare. Astfel, la celulele tinere (din culturi de 24 48 ore) i n condiii favorabile de mediu, citoplasma ader strns de membrana citoplasmatic i se prezint ca o mas dens, omogen, fin granular, intens colorabil cu colorani de anilin (colorani bazici) datorit coninutului ridicat de acizi nucleici. La celulele mbtrnite i n condiii nefavorabile de mediu, citoplasma i pierde treptat afinitatea pentru coloranii bazici, se ndeprteaz de nveliul celular i capt un aspect granular, neomogen, cu multiple vacuole.

n citoplasm se gsesc: materialul nucleosomal, mezosomii, ribozomii, incluziile i vacuolele. Ribozomii sunt responsabili de structura granular a citoplasmei, prezentnd dou topografii diferite: cei care particip la sinteza proteinelor celulare i a constituenilor citoplasmatici sunt dispui omogen n masa citoplasmei, iar cei care contribuie la sinteza proteinelor care vor fi secretate sau excretate la exteriorul celulei sunt grupai pe faa intern a membranei plasmatice. Citoplasma este foarte bogat n ARN, n special ARN ribozomal (ARNr, 80%), ARN de transfer (ARNt, 10 20%) i ARN mesager (ARNm, 2%), ceea ce explic bazofilia ei intens la celulele tinere, cu sinteze proteice intense. Celulele mbtrnite se coloreaz mai puin intens, deoarece sinteza de ARN ribozomal nceteaz i cel existent este folosit ca surs de azot i fosfor. Nucleosomul bacterian Materialul genetic bacterian este reprezentat de dou tipuri de structuri: nucleosomul, numit i nucleoid, material nuclear, echivalent nuclear, genofor, care corespunde din punct de vedere funcional cromozomului, i plasmidele, care poart gene accesorii. Nucleosomul bacterian reprezint o form primitiv de organizare a nucleului, lipsit de membran nuclear, inclavat direct n citoplasm, n mod obinuit n mijlocul celulei bacteriene, ntr-o zon numit nucleoplasm. Zona nucleoplasmei este mai clar, n raport cu citoplasma propriu-zis, care este mai dens. Studiul microscopic al nucleoidului ntmpin dificulti legate de bazofilia intens a citoplasmei, foarte bogat n ARN, care nu permite diferenierea cu colorani bazici a materialului genetic, constituit din ADN, la fel de bazofil. Dac celula bacterian este supus unui tratament cu dezoxiribonucleaz i apoi unei coloraii cu colorani bazici, n mijlocul celulei se observ o zon clar, incolor, n care a fost localizat nucleoidul. Evidenierea microscopic a nucleoidului se poate face prin coloraii selective, care constau n ndeprtarea ARN citoplasmatic prin hidroliz acid (tehnica Robinow - Feulgen) sau enzimatic (cu ribonucleaz, tehnica Boivin), urmat de colorarea cu colorani bazici de anilin. Dup hidroliza ARN, materialul nuclear apare sub diferite forme: sferic, ovalar, de halter, de bastona, reprezentnd 5 16% din volumul celulei. La microscopul electronic nucleoidul apare n zona central a celulei, mai puin electronodens dect citoplasma bacterian, n contrast cu celula eucariot la care nucleul este mai electronodens dect citoplasma. Celula procariot are un contrast invers al structurilor sale n raport cu celula eucariot, deoarece ADN nu este asociat cu proteine, iar citoplasma bacterian are o densitate foarte mare. Pe seciuni ultrafine regiunea nucleosomal apare ocupat de fibrile fine, cu diametrul de 2,5nm, uneori aranjate n iruri ondulate, paralele. Extras prin metode speciale din celula bacterian, sub forma unui corpuscul dens i compact, nucleosomul s-a dovedit a fi alctuit dintr-o singur molecul de ADN, dublu catenar, circular, covalent nchis, cu o lungime de aproximativ 1400m i diametrul de 2,5nm. Circularitatea moleculei de ADN este o condiie esenial a existenei sale n celula bacterian, n contact direct cu citoplasma n care se gsesc cantiti mare de exonucleaze, care ar ataca moleculele lineare la extremitile lor.

Nucleosomul bacterian este cea mai mare molecul biologic i prin lungimea sa depete de 1000 de ori lungimea celulei bacteriene. n structura dublu catenar a nucleoidului intervin modificri topologice care constau ntr-un proces de mpachetare prin suprarsucire (supraspiralizare), ocupnd astfel un volum de 1500 de ori mai mic. Pentru a ocupa un volum att de mic, molecula de ADN se mpacheteaz dup norme extrem de riguroase, astfel nct n orice moment cele 3000 5000 de gene pe care le conine s fie accesibile sistemelor celulare de transcriere i traducere. Stonington i Pettijohn au elaborat n 1971 un model de mpachetare a ADN n celula bacterian. Ei au demonstrat c ADN-ul poate fi extras din celula bacterian prin metode blnde sub forma unei mase dense, compacte, care corespunde strii mpachetate a nucleosomului. Din aceast mas compact ei au izolat ADN, ARN i proteine. Moleculele de ARN (ARNm, ARNt) i proteinele au un rol esenial n meninerea strii compacte a nucleosomului., materialul genetic fiind reprezentat doar de ADN. Dac nucleosomul extras din celul este tratat cu ARN-az, acesta se deruleaz ntr-o molecul dublu catenar de ADN depliat, circular, nchis, numit form relaxat, cu diametrul de 350m. Modelul de mpachetare prin pliere i supraspiralizare explic mecanismul molecular al drumului invers, de la structura relaxat a nucleosomului la forma sa compact. Dup prerea celor doi autori, forma relaxat a moleculei de ADN, cu diametrul de 350m, ar suferi mai nti un proces de pliere (folding) n 40 60 bucle, rezultnd o structur cu un diametru de 30m. La baza fiecrei bucle se gsesc molecule de natur proteic (ARN polimeraz) i ARN ribosomal sau mesager. Aceste bucle reprezint domenii de suprancolcire prin rsucirea dublului helix spre stnga, rezultnd o structur cu diametrul de 2 - 3m. Domeniile cromozomului bacterian sunt topografic independente. Supraspiralizarea, realizat n cadrul fiecrui domeniu de pliere, este o stare fizic, n care molecula de ADN se pliaz prin rsucire n jurul axei sale.

-

Supraspiralizarea este urmarea aciunii topoizomerazelor, care sunt de dou tipuri: helicaze, cu rol de suprarsucire a moleculei dublu catenare de ADN (topoizomeraza II, AND - giraza); derulaze, cu rol de a produce dezrsucirea ADN - ului i aducerea lui ntr-o form relaxat (topoizomeraza I).

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

n mod normal, bacteriile aflate n repaus conin un singur cromozom (sunt haploide). Apariia unor celule multinucleate, cu 2 4 cromozomi, n culture tinere, pe medii ce confer condiii optime de cretere, este rezultatul nesincronizrii ntre diviziunea celular i replicarea ADN ului. Situaia de celul multinucleat este temporar. Funciile materialului genetic nucleosomal Nucleosomul conine informaia genetic esenial necesar existenei celulelor bacteriene n mediul lor natural. Informaia genetic din nucleoidul bacterian este cuprins n aproximativ 3000 4000 gene (determinani genetici). Acestea asigur formarea structurilor celulare bacteriene, metabolismul energetic i biosintetic, reglarea activitilor celulare, replicarea celulei bacteriene, potenialul de evoluie a celulei. Pe medii neobinuite, celulele bacteriene prezint, pe lng nucleosom, o informaie genetic accesorie, reprezentat de plasmide. Acestea sunt molecule de ADN dublu catenar, circular, covalent nchis, numite i minicromozomi, reprezentnd 1 2% din mrimea cromozomului bacterian, cu un numr mic de gene.

CURS 3 Ribozomii Ribozomii sunt particule nucleoproteice intracitoplasmatice, de form aproximativ sferic i cu un diametru de 20nm; pot fi caracterizai prin constanta lor de sedimentare la ultracentrifugare n gradient de concentraie (concentraie de sucroz de 5 25%). Ribozomii eucariotelor sunt de tip 80S, iar ribozomii procariotelor sunt de tip 70S. Ribozomii sunt structuri dinamice, care au capacitatea de a disocia n cele dou subuniti componente, care se reasociaz cnd ribozomii sunt funcionali. Asocierea i disocierea componentelor ribozomale sunt corelate cu variaiile concentraiei ionilor de magneziu: asocierea este favorizat de creterea concentraiei ionilor de magneziu, iar disocierea e corelat cu scderea acestei concentraii. Numrul ribozomilor n celula bacterian este corelat cu activitatea ei fiziologic, fiind mic n celulele aflate n repaus i mare n celulele fiziologic active. El variaz ntre 15000 100000/celul. Unii ribozomi se gsesc liberi n citoplasm i determin structura granular a acesteia, mai ales la celulele tinere. Alii se gsesc pe faa intern a membranei citoplasmatice, la nivelul lor avnd loc sinteza proteinelor care vor fi eliminate la exteriorul celulei. Ribozomii bacterieni 70S au dou subuniti: o subunitate mare, 50S, care are form de fotoliu i o subunitate mic, 30S, care are form de halter asimetric, aezat orizontal pe braele i sptarul fotoliului. Ribozomii 70S conin n total 55 molecule de proteine i 3 molecule de ARN ribosomal. Subunitatea mare are greutatea molecular de 16000000 Da, cu 34 molecule diferite de proteine, notate de la L1 la L34 (de la large = mare) i dou molecule de ARNr, una foarte mare, 23S, alta mic, 5S. Subunitatea mic are greutatea molecular de 900000 Da, cu 21 molecule proteice, notate de la S1 la S21 (de la small = mic) i o molecul de ARNr, cu o constant de sedimentare 16S.

Subunitatea mare are form de fotoliu, iar subunitatea mic are aspect de halter asimetric, rezemat orizontal pe braele i sptarul fotoliului. ntre cele dou subuniti, mai precis ntre scobitura fotoliului i gtul halterei, rmne un canal lung i ngust, prin care trece ARN mesager, purttorul informaiei genetice necesare sintezei proteinelor. O celul de Escherichia coli n plin cretere sintetizeaz aproximativ 500 ribozomi/minut, acest proces implicnd sinteza coordonat a moleculelor proteice i a ARNr, precum i asamblarea lor funcional. Celulele bacteriene au o capacitate de a sintetiza ribozomi ntr-un ritm accelerat, o capacitate de biosintez proteic rapid i eficient, astfel nct se pot multiplica rapid, pentru a supravieui n natur. Ribozomii sunt constitueni eseniali ai sistemului de traducere a informaiei genetice, reprezentnd adevrate fabrici de proteine. La nivelul lor se desfoar un ansamblu de reacii care formeaz ciclul ribozomal, ce determin iniierea, creterea i terminalizarea lanului polipeptidic, n care ribozomii interacioneaz cu ARN mesager pentru a lega specific moleculele de aminoacizi adui cu ajutorul ARN de transfer, asigurnd formarea proteinelor. Ribozomii se asociaz n polisomi (poliribozomi), grupri funcionale formate din 4 50 uniti ribozomale. Dimensiunile poliribozomilor variaz n funcie de lungimea ARNm. Polisomii se deplaseaz n lungul moleculei de ARNm i permit sinteza concomitent a mai multor molecule proteice pe aceeai molecul de ARNm. Rolul ribozomilor n sinteza proteic n faza de cretere logaritmic a culturii bacteriene, la temperatura optim, cromozomul bacterian este transcris cu o rat de 60 nucleotide/secund. La procariote ribozomii au relaii spaiale strnse cu ADN, deoarece transcrierea i traducerea informaiei sunt dou procese intim coordonate, care se desfoar aproape concomitent. Dup ce a citit integral informaia ARNm, ribozomul se desprinde, elibernd n acelai timp polipeptidul sintetizat. Polisomul este ataat fizic de cromozomul bacterian pentru o perioad scurt de timp. Transcrierea moleculei de ARNm dureaz circa un minut. Rata traducerii este corelat cu rata transcrierii. Pe medii nutritive bogate, ribozomii celulelor bacteriene (ataai de suprafaa intern a membranei citoplasmatice) sintetizeaz exoproteine, care sunt eliminate la exterior. Unele proteine de acest fel nu apar niciodat n citoplasma celulelor bacteriene, sugernd c ele sunt eliminate pe msur ce sunt sintetizate. Ele sunt molecule relativ mici, lipsite de rigiditate.

Incluziile bacteriene Incluziile bacteriene sunt formaiuni structurale inerte, care apar n citoplasma bacteriilor aflate la sfritul perioadei de cretere activ, de regul n condiii de abunden a surselor nutritive i n prezena unui dezechilibru ntre carbon i azot. Ele reprezint rezerve intracelulare pentru microorganisme, care dispar dup trecerea celulelor respective n medii srace n nutrieni. Mrimea, forma, coninutul i numrul incluziilor difer. Ele pot fi: - incluzii anorganice simple (sulf coloidal, carbonat de calciu); - polimeri anorganici (incluzii de polimetafosfat care constituie volutina); - polimeri organici polizaharidici (amidon, glicogen), lipidici (polibetahidroxibutirat) sau proteici (incluziile parasporale de la Bacillus thuringiensis). Dup criterii structurale, se disting incluzii delimitate de membrane (de exemplu cele de polibetahidroxibutirat) sau nedelimitate de membrane (de exemplu cele de glicogen, de volutin). La microscopul optic apar ca structuri granulare, de form neregulat, refringente, cu dimensiuni ntre 50 100nm. Granulele de volutin (corpusculii Babe Ernst) sunt polimeri de polifosfai care au fost evideniate la Spirillum volutans i care se formeaz n condiiile deficitului oricruia dintre nutrieni. Ele reprezint o rezerv de fosfor i de energie intracelular. Incluziile de sulf anorganic sunt structuri refringente, localizate intracitoplasmatic sau la nivelul unor pliuri ale membranei citoplasmatice. Se ntlnesc la bacteriile sulfuroase purpurii (Chromatiaceae) care folosesc n fotosintez H2S ca donor de electroni i la bacteriile filamentoase autotrofe nefotosintetizante (Beggiatoa), care oxideaz H2S. Dup epuizarea H2S din mediu, sulful depozitat n celule este oxidat la sulfat. O categorie aparte de incluzii e reprezentat de magnetosomi, incluzii ce conin magnetit (Fe3O4), rspunztoare de fenomenele de orientare descrise la bacterii sub influena cmpurilor magnetice slabe sau a cmpului magnetic al pmntului (magnetotaxie). Bacteriile magnetotactice au fost izolate din sedimentele marine i de ap dulce, ca de exemplu Aquaspirillum magnetotacticum, singura obinut n cultur pur. Aceste bacterii au o importan deosebit n studiile asupra cmpului magnetic al pmntului. Incluziile proteice parasporale se sintetizeaz odat cu formarea sporilor. Vacuolele bacteriene Sunt formaiuni sferice cu diametrul de aproximativ 0,3 0,5m, mai puin refringente dect citoplasma. n funcie de mediul de cultur numrul lor ntr-o celul este ntre 6 i 20. Vacuolele conin substane dizolvate n ap i sunt delimitate de un nveli lipoproteic unistratificat, cu grosimea de 3nm, numit tonoplast. Unii autori consider c vacuolele se formeaz ca urmare a ptrunderii unei cantiti mari de ap n celul. n apa aflat n exces se dizolv produi de metabolism hidrosolubili, iar lipidele i proteinele acumulate n jurul picturilor de ap formeaz tonoplastul. Rolul vacuolelor ar fi acela de reglatori ai presiunii osmotice n raport cu mediul extern, precum i de depozite de substane de rezerv n perioada premergtoare formrii incluziilor.

Un tip special de vacuole este reprezentat de veziculele gazoase, numite aerosomi. Ele sunt ntlnite la bacteriile acvatice fotosintetizante imobile, ca de exemplu cianobacterii i bacterii fotosintetizante verzi i roii. Sunt structuri refringente cu aspect ovalar, compartimentate, membranele fiind constituite din proteine hidrofobe. Aerosomii confer bacteriilor o densitate mai mic dect a apei i permit deplasarea celor acvatice imobile ntr-o coloan vertical de ap n zone favorabile fotosintezei. De asemenea, joac un rol protector pentru bacterii, dispersnd lumina i aprnd structurile fotosensibile de aciunea nociv a ultravioletelor. Aerosomii sunt numeroi la cianobacteriile care cresc cu o rat mare i produc fenomenul de nflorire a apelor. Endosporul bacterian Anatomia bacteriilor permite adaptarea lor la habitate diverse. Dintre toate structurile microorganismelor, endosporul este cel mai performant din punct de vedere al rezistenei la condiiile ostile de mediu, care faciliteaz supravieuirea. Sporul bacterian este o form primitiv de difereniere celular, care const n formarea n celula vegetativ a unui nou tip de celul, cu ultrastructur, compoziie chimic i enzimatic diferit. Exist cel puin 10 tipuri diferite de spori, caracteristice anumitor grupuri sistematice de bacterii, cu particulariti structurale i biologice. Cea mai comun form de spor este endosporul, care poate fi considerat sporul tipic. El este frecvent ntlnit la bacteriile Gram pozitive cilindrice (de exemplu la genurile Bacillus, Clostridium) i n mod excepional la bacterii sferice (Sporosarcina). Endosporul are form sferic sau ovalar, cu dimensiuni ntre 0,5 - 1m pentru axul mic i ntre 1 1,5m (3m) pentru axul longitudinal. Are o refringen deosebit i e foarte greu colorabil datorit nveliurilor impermeabile pentru colorani. Se poate colora ns dup permeabilizarea nveliurilor prin tehnici speciale energice. n funcie de aezarea n celula bacterian, sporul poate fi terminal, subterminal sau ecuatorial (central), iar n funcie de diametrul su comparativ cu cel al celulei n care se formeaz, sporul poate fi nedeformant (terminal, subterminal, central) sau deformant (terminal, ecuatorial).

1. 2. 3. 4.

Spor central nedeformant Spor terminal nedeformant, cu cristale proteice parasporale Spor terminal deformant Spor central deformant

Spori de Clostridium difficile n general sporii sunt unici n celula bacterian, dar exist i excepii, cnd n celule se formeaz cte doi spori (celule bisporulate) sau chiar mai muli (celule polisporulate). Ultrastructura endosporului Sporul este alctuit dintr-o poriune central, ce reprezint protoplastul sporal, format din: perete sporal, citoplasm granular denumit sporoplasm, n care se gsesc ribozomii i materialul nuclear inclus n nucleoplasm. Protoplastul sporal este nconjurat de o zon transparent, mai puin dens, numit cortex, alctuit din peptidoglican modificat, acoperit de un nveli sporal lamelar cu 3 straturi suprapuse: la interior este situat intina bistratificat, urmeaz un strat mijlociu i apoi exina multistratificat. La unele bacterii exist n jurul sporului un exosporium, uneori multistratificat, ancorat de spor prin filamente suspensoare. Unii spori au la una dintre extremiti un smoc de apendici sporali, de aproximativ dou trei ori mai lungi dect sporul, cu aspect tubular i cu striaii orizontale sau n form de pan. Rolul acestor apendici ar fi acela de a facilita dispersarea sporilor n natur, precum i nutriia sporului n cursul sporogenezei sau germinrii, prin preluarea nutrienilor din mediu.

Compoziia chimic a sporului Sporul conine toate categoriile de molecule necesare relurii creterii celulei bacteriene. Lipsesc componentele celulare instabile (ARNm i nucleozidtrifosfai), dar exist precursorii lor mai stabili (nucleozid mono- i difosfai). n spor nu se realizeaz deci sinteze proteice. Sporii conin proteine structurale specifice, codificate de gene care sunt active numai n spori, numite gene sporale. De asemenea, conin enzime noi, n general proteaze, lipsindu-le enzimele importante n metabolismul celulelor bacteriene (ca de exemplu cele ale ciclului Krebs). Le lipsesc i sistemele transportatoare de electroni, care n celula vegetativ sunt localizate la nivelul membranei. Enzimele sporale au o greutate molecular mult mai mic dect enzimele celulare. Unele dintre ele provin din enzimele celulei vegetative prin digestia proteolitic a acestora, realizat de proteaze codificate de enzimele sporale. Ele reprezint doar situsul activ al enzimelor celulare, sunt mai termorezistente i sunt stabilizate prin legturi intramoleculare. Sporii conin o cantitate mare de ioni de calciu i magneziu, n raport cu celula vegetativ. Ionii de calciu sunt legai cu o cantitate echivalent de acid dipicolinic, ce reprezint ntre 10 - 15% din greutatea uscat a sporului. Acidul dipicolinic este implicat n termorezistena crescut a sporilor. Concentraia de ATP este foarte sczut n spori. Iniial s-a considerat c sporul se formeaz prin deshidratarea celulei vegetative, ceea ce ar explica lipsa metabolismului la spor. Cercetrile ulterioare au evideniat c deosebirile dintre spor i celula vegetativ nu sunt de ordin cantitativ, ci calitativ, referindu-se la starea apei. Apa liber din spor este n cantitate foarte redus, ntre 3 10%, iar restul de 90 97% este n stare legat de constituenii celulari. Apa legat nu este implicat n procese metabolice. Sporul este n stare vie, dar este o via latent (criptobioz), fr metabolism sau cu un metabolism extrem de redus, nedecelabil. n celula vegetativ 70% din ap este n stare liber, implicat n diverse procese metabolice. Particularitile de structur i compoziie chimic a sporilor determin termorezistena acestora, deosebita rezisten la substanele chimice (antiseptice, dezinfectani), rezistena la radiaii. Sporogeneza este procesul de formare a sporilor, care se desfoar n 6 7 stadii succesive i dureaz aproximativ 8 ore. Este declanat de lipsa unui nutrient esenial pentru celula bacterian (sursa de azot, sursa de carbon). Apar modificri ultrastructurale, biochimice i biologice, n sensul creterii rezistenei la factorii nefavorabili de mediu. Procesul este complex i din punct de vedere genetic, implicnd participarea a cel puin 50 de gene, constnd n blocarea activitii genelor funcionale n celula vegetativ i activarea genelor sporale. Germinarea sporilor este procesul de conversie a sporului n celula vegetativ i are loc atunci cnd sporul ntlnete condiii favorabile de mediu. Se realizeaz printr-o serie de etape succesive, care n general reproduc n ordine invers fenomenul de sporogenez. Sporul se hidrateaz, apa legat trecnd n stare liber, volumul sporului se mrete, are loc gelificarea nveliurilor sporale, dup care celula vegetativ prsete nveliul sporal.

Semnificaia biologic a sporilor Sporogeneza este o form primitiv de difereniere celular, dar i o modalitate de adaptare a celulei la condiii de mediu nefavorabile. Mecanismele criptobiozei nu sunt cunoscute. Unul dintre ele ar putea fi starea special a enzimelor, care sunt inactivate n mod reversibil. Endosporul este i o form de conservare viabilitii celulelor i deci a speciei, nefiind o form de multiplicare. Are rol n diseminarea celulelor bacteriene n natur, deoarece pot fi rspndii la distane foarte mari i au o longevitate deosebit. Sporogeneza poate fi asociat cu unele procese biologice importante. Componentele extraparietale Capsula bacterian Capsula bacterian reprezint o structur accesorie, care acoper de jur mprejur celula bacterian. Este alctuit dintr-un material macromolecular, gelatinos, vscos, inegal dezvoltat de la o specie bacterian la alta. Se ntlnesc mai multe forme de capsul: 1. Microcapsula este forma cea mai simpl, reprezentat de o pelicul fin, cu o grosime mai mic de 0,2m, care acoper de jur mprejur peretele celulei bacteriene. 2. Macrocapsula este o structur organizat, aderent de celul, cu o grosime mai mare de 0,2m, demonstrabil prin metode citologice. 3. Stratul mucos este o mas amorf neorganizat, ale crei componente vscoase se dispun fr o semnificaie anatomic n jurul celulei bacteriene, cu o grosime mult mai mare de 0,2m. 4. Zoogleea (zoon = animal; glee = substan vscoas) const din acelai material ca i stratul mucos, dar cuprinde mai multe celule bacteriene, formnd o asociaie bacterian mucilaginoas. La unele bacterii din mediul natural se ntlnete un glicocalix adevrat, care are caracter adaptativ i confer celulei un avantaj selectiv, disprnd dac bacteria este trecut pe medii artificiale. Acesta este constituit dintr-o reea de filamente polizaharidice i glicoproteice, legate de lipopolizaharidele membranei externe la bacteriile Gram negative sau de mureina bacteriilor Gram pozitive. Formeaz o structur pericelular dezordonat, ca o psl, prin care celulele se ancoreaz de diferite substraturi.

Flagelul bacterian Flagelii sunt structuri extracelulare, care reprezint organite de motilitate, cu o structur rudimentar n raport cu flagelul eucariotelor. Flagelii se mai numesc i undulipode (undula = und mic, podos = picior). Au originea n celula bacterian, strbat nveliurile celulare i prezint un filament extracelular. Acest filament are o grosime constant pe toat lungimea lui, egal cu 20nm. Lungimea flagelului este variabil, de la 4 - 5m pn la 15m, ajungnd uneori pn la 70m, flagelii fiind mult mai lungi dect celula bacterian. Flagelii nu se pot observa direct la microscop, prezena lor poate fi dedus pe baza mobilitii accentuate a bacteriilor, care se deplaseaz n cmpul microscopic la ntmplare, n diferite direcii. n funcie de prezena sau absena flagelilor, numrul i gruparea lor, au fost descrise mai multe tipuri de bacterii: - bacterii atriche (fr flagel) - bacterii monotriche (cu un singur flagel) - A - bacterii amfitriche (cu doi flageli, situai de obicei apical) - C - bacterii lofotriche (cu un smoc de flageli la unul din poli) - B - bacterii peritriche (cu flageli de jur mprejurul celulei) - D Flagelul poate fi situat polar sau subpolar, smocul de flageli poate fi dispus ecuatorial.

Ultrastructura flagelului bacterian Flagelul este format din trei componente: o poriune bazal rotatorie, situat n nveliurile celulei bacteriene; o poriune n form de crlig, care se continu extracelular cu flagelul propriu-zis, cu un diametru constant de 20nm. Poriunea bazal are caracter de motor rotativ i prezint o structur diferit la bacteriile Gram pozitive fa de cele Gram negative. La bacteriile Gram pozitive poriunea bazal e simpl, format din dou discuri unite ntre ele printr-un ax central, precum butonii unei manete. La bacteriile Gram negative poriunea bazal este format din mai multe discuri unite printr-un ax central: - discul M, la nivelul membranei plasmatice, este un disc mobil, cu funcie de rotor (cu aproximativ 4000 rotaii/minut), reprezint partea rotatorie a flagelului; - discul S, situat n regiunea supramembranar, n spaiul periplasmatic, cu rol de stator, imobil;

discul P, imobil, legat de lanul de peptidoglicani, n spaiul periplasmatic; discul L, situate la nivelul lipopolizaharidelor membranei externe a peretelui celular. n jurul discurilor M i S exist o pereche de proteine Mot, care acioneaz ca un motor al flagelului, determinnd rotaia filamentului i proteinele Fli, care funcioneaz ca un comutator al motorului, determinnd sensul de rotaie al acestuia n funcie de semnalele primate din interiorul celulei. Crligul are caracter de articulaie flexibil universal, putndu-se roti mpreun cu filamentul cu 360. Filamentul extracelular este flagelul propriu-zis, situat la exteriorul celulei, cu micri de bici, nu ondulatorii. El are un diametru constant pe toat lungimea sa. Micarea rotatorie se transmite spre crlig datorit discurilor fixe. La o bacterie cu un singur flagel situat polar, acesta se nvrte n sens antiorar i propulseaz bacteria nainte. La bacteriile peritriche flagelii se grupeaz ctre extremitatea opus direciei de naintare. Prin rotirea flagelului n sens orar, bacteria se rostogolete si i schimb direcia de deplasare (flagelii dispui peritrich se rsfir). Motorul rotativ conine 15 proteine diferite. Filamentul este alctuit dintr-o protein major, flagelina, reprezentat de cteva mii de molecule de acelai tip, cu greutate molecular de 40.000 65.000 Da. Moleculele de flagelin sunt grupate n 11 iruri de filamente dispuse dup o simetrie helicoidal, conferind flagelului o structur tubular.

-

Semnificaia biologic a flagelului Prezena flagelilor asigur deplasarea activ a bacteriilor n medii lichide. S-a demonstrat c n medii neutre din punct de vedere chimic bacteriile se deplaseaz la ntmplare: o secund n linie dreapt, apoi o rostogolire n 0,1 secunde cu schimbarea direciei de deplasare, urmat de o nou deplasare n linie dreapt timp de o secund. Viteza de deplasare a bacteriilor este mai mare dect a macroorganismelor, raportat la dimensiunile proprii. Bacteriile flagelate se deplaseaz cu 20-80m pe secund, ceea ce reprezint o vitez de 40 lungimi/secund. Micarea orientat preferenial a bacteriilor este numit taxie. Ea se poate realiza n funcie de substanele chimice din mediu (chimiotaxie), de lumin (fototaxie), de concentraia de oxigen (aerotaxie), de temperatur (termotaxie).

Substanele chimiotactic pozitive (atractante) determin deplasarea bacteriilor mpotriva gradientului de concentraie, din zone n care concentraia substanelor respective este mic, spre zone n care ea este mare. Substanele atractante sunt n general substane utile bacteriilor (aminoacizi, zaharuri, ioni de calciu i magneziu). n prezena atractanilor se mrete deplasarea bacteriilor n linie dreapt i se micoreaz numrul de rostogoliri. Substanele chimiotactic negative (repelente) determin o deplasare a bacteriilor n sensul gradientului de concentraie, spre zone n care concentraia substanelor respective este mic. Ele sunt reprezentate de substane nocive pentru bacterii (produse de excreie, alcooli, acizi grai, ioni ai metalelor grele). n prezena repelenilor se micoreaz deplasarea bacteriilor n linie dreapt i se mrete frecvena rostogolirilor. Din punct de vedere ecologic, mobilitatea bacteriilor este foarte important n natur, deoarece asigur supravieuirea bacteriilor. Ea le ofer bacteriilor posibilitatea de a se deplasa spre regiuni n care condiiile de existen sunt favorabile.Pilii Pilii sunt apendici fi1amentoi neflagelari, a cror sintez este codificat de gene localizate pe plasmide. Aceste plasmide se numesc "plasmide de sex" sau conjugoni. Celulele purttoare de pili au capacitatea de a dona material genetic celulelor lipsite de pili. Numrul pililor este de aproximativ 1 - 10/celul, au lungimea de aproximativ 20m, iar diametrul de 6 15nm la exterior i 2,5nm la interior. Pilii sunt alctuii din molecule identice de pilin, care se sintetizeaz n celul, este transferat n lumenul pilului i este asamblat dup o simetrie helical la extremitatea liber a pilului. Celulele care poseda pili sunt considerate celule "mascule". Pilii pot fi ndeprtai mecanic prin agitare. Capacitatea de sintez a pilinei se pierde odat cu pierderea plasmidei de sex i este redobndit odat cu rectigarea plasmidei. Rolul pililor Prezena pililor este asociat cu procesul de conjugare bacterian, fiind implicai n transferul de material genetic de la celula donoare la celula receptoare. Rolul pililor n conjugare este argumentat de faptul c pierderea pililor este nsoit de pierderea capacitii de conjugare a bacteriilor. Fimbriile Fimbriile sunt structuri de tipul apendicelor filamentoase drepte i rigide, mai scurte i mai subiri dect flagelii. Sinteza componentelor fimbriilor este codificat de gene situate pe cromozomul bacterian. Fimbriile pot fi pn la 1000/celul. Lungimea lor este variabil (1 - 20m), iar diametrul este cuprins ntre 3 - 15/m. Dac sunt numeroase, au o dispoziie pericelular. Fimbriile sunt alctuite din molecule de fimbrilin aezate dup o simetrie helical, determinnd o structur tubular. O bacterie posed cteva tipuri de fimbrii, n funcie de grosime, lungime, specificitate antigenic. Fimbriile sunt comune la bacteriile enterice i nu se ntlnesc la bacteriile Gram pozitive. Semnificaia biologic a fimbriilor Semnificaia biologic a fimbriilor nu este nc bine precizat. Ele sunt considerate structuri adaptative, cu rolul de a mri suprafaa de contact a bacteriei cu mediul nconjurtor, fiind utilizate pentru absorbia nutrienilor. Fimbriile favorizeaz asocierile dintre celule, formndu-se astfel pelicule fine (filme) de bacterii la suprafaa apei, asigurnd condiii bune de aerare pentru bacteriile aerobe i condiii de luminozitate pentru cele fotosintetizante.

CURS 4 CRETEREA I MULTIPLICAREA BACTERIILOR Ca rezultat al metabolismului de sintez, bacteriile cresc prin formarea de noi constitueni celulari, dup care se multiplic. Creterea i multiplicarea bacterian prezint anumite particulariti, ca urmare a intensitii deosebite a metabolismului bacterian i a reglrii lui perfecte. Studiul creterii i multiplicrii bacteriene este important din punct de vedere teoretic, pentru a explica dinamica, mecanismul i factorii care influeneaz aceste procese, dar i din punct de vedere practic, pentru utilizarea eficient a bacteriilor n biotehnologie (pentru obinerea de biomas, produi de fermentaie, produi secundari de metabolism). Creterea bacteriilor Creterea bacteriilor reprezint mrirea coordonat a tuturor constituenilor celulari. Ea este rezultatul sintezei specifice i echilibrate, pornind de la substanele nutritive din mediu, a unor compui de baz, care sunt ulterior asamblai pentru a forma copii fidele ale constituenilor celulari. Specificitatea creterii este determinat de intervenia unor mecanisme de control genetic. Procesul creterii depinde de natura i concentraia substanelor nutritive din mediu, precum i de aprovizionarea continu a celulei cu energia necesar reaciilor de sintez. Mrirea masei totale a celulei bacteriene nu reflect ntotdeauna creterea normal a celulei, deoarece ea poate rezulta prin sinteza i acumularea de substane de rezerv, care nu sunt specifice creterii sau prin sporirea accentuat a coninutului n ap. Creterea celulei bacteriene se realizeaz prin adugarea de constitueni noi la peretele celular rigid, care are loc n moduri diferite: - polar; - bipolar; - ecuatorial, n zona septului de diviziune; - intercalar, prin intususcepiune, n zone specifice de cretere; - prin depunere pe suprafaa intern a peretelui celular. Creterea bacteriilor se realizeaz prin depunerea de substane noi uni-, bi- sau tridimensional. De obicei creterea bacteriilor cilindrice se face n sensul axului longitudinal, iar celulele sferice cresc n sensul celor trei dimensiuni. Creterea bacteriilor nu se face la infinit, ci doar pn la un moment critic, n care creterea este ntrerupt i este urmat de diviziunea celular. Mecanismul ntreruperii procesului de cretere nu este pe deplin cunoscut. Se admite ipoteza c activitatea normal a celulei bacteriene este urmarea unui raport echilibrat ntre volumul celulei bacteriene (care reflect masa celular ce consum nutrienii i produce catabolii) i suprafaa celulei (aria prin care se realizeaz schimburile cu mediul extracelular, care constau n absorbia nutrienilor i eliminarea unor produi de catabolism). n cursul creterii celulei, acest raport echilibrat se modific n sensul diminurii suprafeei (care crete cu o rat ptratic, n timp ce volumul crete cu o rat cubic), astfel nct aportul de substane nutritive devine insuficient i inadecvat necesitilor metabolice ale celulei. Se ajunge astfel la momentul critic, ce declaneaz diviziunea celular, care restabilete raportul echilibrat ntre suprafaa i volumul celulei bacteriene.

Multiplicarea bacteriilor Multiplicarea bacteriilor se realizeaz prin patru mecanisme: diviziune direct (simpl), nmugurire, fragmentare i prin producerea de spori. Diviziunea direct (izomorf) Este forma cea mai rspndit i cea mai bine cunoscut de multiplicare a bacteriilor. Ea const n scindarea celulei mam, ajuns la punctul critic de cretere, n dou celule fiice surori, cel mai adesea identice. La bacteriile cilindrice i spiralate diviziunea se face ntr-un plan transversal, perpendicular pe axul longitudinal al celulei, i numai excepional, la unii spirili, se realizeaz dup un plan longitudinal. Cocii se divid dup unul, dou sau trei planuri, perpendiculare unul pe cellalt, fcnd posibil gruparea celulelor n diplococi, tetrad, sarcin. n general, diviziunea evolueaz n trei etape distincte: - formarea unei membrane ce separ protoplatii ce vor forma celulele fiice; - sinteza peretelui celular pe suprafaa membranei respective sau formarea unui sept transversal prin creterea spre interior a peretelui celular periferic; - separarea celulelor rezultate n urma diviziunii. Exceptnd situaiile anormale, (care se finalizeaz cu formarea unor minicelule sferice, lipsite de ADN, ca urmare a localizrii anormale a situsului de diviziune), bacteriile fr nucleu apar extrem de rar. Acest fapt sugereaz existena unei legturi obligatorii ntre replicarea ADN-ului i diviziunea celulei, precum i existena unui mecanism de control, care permite ca diviziunea s aib loc doar atunci cnd n celula mam exist doi nuclei noi, care vor fi separai n cele dou celule fiice.

n procesul de diviziune celular are loc nti replicarea ADN-ului, apoi formarea septului de diviziune. Aceast corelaie a fost studiat la Escherichia coli, la care timpul de apariie a unei noi generaii este de 45 minute. - timpul 0 informaia genetic este reprezentat de un singur cromozom bacterian; - timpul 18 min. ADN-ul cromozomal este parial replicat; - timpul 20 min. ncepe migrarea celor doi cromozomi obinui prin replicare ctre extremitile celulei; - timpul 25 min. segregarea informaiei genetice a avut deja loc, cresc membrana plasmatic i peretele celular n spaiul dintre cele dou molecule de ADN; - timpul 30 min. ncepe formarea septului transversal de diviziune; - 35 38 min. cele dou celule fiice, fiecare cu cte un nucleosom propriu, sunt n situaia de a se separa; - timpul 45 min. are loc separarea celor dou celule fiice nou formate. Cercetrile ulterioare ale corelaiei dintre replicarea ADN-ului bacterian i ritmul de diviziune au scos n eviden particulariti ale acestui fenomen. Acestea se refer la acumularea unei proteine iniiator, capabil s declaneze ciclul de replicare a cromozomului, ntr-un ritm care depinde de condiiile de mediu, dar i la faptul c n general timpul de replicare a cromozomului este fix, la Escherichia coli durnd 20 minute. Dinamica procesului de multiplicare bacterian n culturi Culturile bacteriene sunt de dou tipuri: continue i discontinue. Culturile continue sunt cele n care mediul de cultur este rennoit permanent cu o anumit rat, o parte din masa bacterian format fiind ndeprtat n acelai timp din cultur, cu aceeai rat. Aceste culturi se realizeaz n aparate speciale i asigur o concentrae constant de celule n cultur (dup principiul turbidostatului) i o concentraie constant a substanelor chimice din mediu (dup principiul chemostatului). Culturile discontinue sunt cele obinute ntr-un mediu de cultur nennoit, n vase nchise. Se pot realiza n dou variante: culturi asincrone i culturi sincrone. Culturile sincrone sunt cele n care majoritatea bacteriilor se multiplic n acelai timp. Culturile asincrone sunt cele n care bacteriile se multiplic n momente diferite. Culturile obinute n laborator n mod curent sunt culturi discontinue asincrone. Acestea prezint urmtoarele particulariti: mediul de cultur nu este rennoit pe timpul cultivrii, fiind ntr-un volum fix pe ntreaga durat a obinerii culturii; compoziia chimic a mediului se schimb pe parcursul formrii culturii (substanele nutritive sunt consumate, se acumuleaz produi de catabolism, se modific pH-ul, ); numrul de celule viabile este variabil, la nceput crescnd progresiv, ulterior scznd datorit mbtrnirii i morii celulelor; ritmul de diviziune este inegal, la nceput, cnd populaia bacterian este tnr i condiiile de mediu sunt optime, fiind mai mare, ulterior scznd; vrsta celulelor bacteriene este diferit; numrul de generaii este limitat, datorit condiiilor de mediu fixe.

Procesul multiplicrii bacteriilor n culturi discontinue asincrone evolueaz n cteva faze succesive: faza de lag (de laten, de cretere bacterian 0) este cuprins ntre momentul iniierii culturii i nceperea multiplicrii bacteriene; numele ei vine de la to lag (engl.) = a ntrzia; numrul celulelor bacteriene din inoculul iniial rmne relativ neschimbat; dei considerat faz de laten, este n realitate o faz activ, n care celulele se pregtesc pentru multiplicarea ce va urma (i refac structurile i sistemele enzimatice necesare, cresc n dimensiuni, prezint un metabolism intens). Aceast faz are o durat diferit n funcie de vrsta inoculului folosit: dac inoculul provine dintr-o cultur tnr, faza de laten este scurt; dac inoculul provine dintr-o cultur mai veche sau aflat n condiii de mediu total diferite de mediul cel nou, faza de laten este de mai lung durat, celulele fiind ntr-o faz activ de adaptare la noile condiii de cultivare. faza de accelerare const n iniierea multiplicrii bacteriene ntr-un ritm progresiv, care determin i numele fazei; faza de cretere logaritmic (exponenial) este faza n care multiplicarea se realizeaz cu un ritm constant i maxim, populaia bacterian practic dublndu-se la fiecare diviziune; celulele au o mrime uniform, mai mare dect a celulelor normale, caracteristice speciei, cu citoplasm omogen, bogat n ARN, cu sinteze proteice intense, fr materiale de rezerv. Acest stadiu corespunde celulelor bacteriene tinere, potrivite pentru cercetarea de laborator; faza de ncetinire este aceea n care ritmul de multiplicare este ncetinit, datorit condiiilor de mediu. Unul dintre factorii nutritivi eseniali din mediul de cultur devine limitant, fiind epuizat treptat i devenind insuficient; faza staionar a creterii este caracterizat printr-un numr de celule viabile maxim i constant pentru o perioad de timp care depinde de specia bacterian; se consider c n timp ce unele celule bacteriene mor, dispariia lor este compensat de multiplicarea lent a altor celule, astfel nct, n ansamblu, numrul de celule viabile este acelai. Aceast faz corespunde celulelor bacteriene mature, cu morfologie considerat normal, tipic unei specii date; celulele din aceast faz se folosesc pentru coloraii. Spre sfritul fazei staionare ncep s apar primele incluzii bacteriene, vacuole i chiar spori; faza de nceput al declinului este aceea n care numrul celulelor viabile ncepe s scad ca rezultat al morii unora dintre celule; ulterior scade i densitatea celular, deoarece intervin procese de autoliz, produse de enzime proteolitice endogene; faza de declin i moarte celular este faza n care se intensific reducerea numrului de celule viabile i fenomenele de autoliz bacterian; este foarte variabil ca durat, de la 24 48 ore pn la sptmni i chiar luni de zile; celulele bacteriene au o morfologie alterat, apar forme filamentoase, spiralate, ramificate, necaracteristice speciei; celulele au afinitate pentru coloranii acizi, conin substane de rezerv, se ntlnesc muli spori.

-

-

-

-

-

Viteza de multiplicare a celulelor bacteriene se msoar prin durata unei generaii i se numete timp de generaie. El este intervalul de timp scurs ntre dou diviziuni succesive. n general, acest timp este mai mic la bacterii dect la macroorganisme, existnd bacterii care se multiplic foarte rapid (Bacillus subtilis 9-10 minute), altele mai puin rapid (Lactobacillus 100 minute), iar altele foarte lent (Mycobacterium tuberculosis 1600 minute). Dei au un potenial imens de multiplicare, bacteriile nu i-l realizeaz n practic, ntruct intervin factori de mediu nefavorabili, ce limiteaz acumularea unui numr imens de celule bacteriene. De exemplu, n condiii aerobe obinuite de cultur n laborator, numrul maxim de celule care se acumuleaz este de 200 milioane de celule/ml mediu. n condiii de agitare, care favorizeaz aerarea i contactul celulelor cu nutrienii, se poate atinge un numr de 5 miliarde celule/ml. Un coc cu o greutate de 5x10-13 g, cu un timp de generaie de 20 minute, poate determina dup 132 de diviziuni formarea unei mase celulare cu greutatea de 6x1027g. Multiplicarea prin nmugurire nmugurirea reprezint o modalitate particular de reproducere, care const n separarea a dou celule asimetrice, ca rezultat al formrii de ctre celula mam a unei protuberane locale mai mici dect ea. Aceasta creeaz un spaiu nou, n care vor migra constituenii noii celule sau n care constituenii vor fi sintetizai de novo (din nou).

Bacteriile care nmuguresc prezint o mare diversitate taxonomic i sunt mai puin cunoscute. Ele pot fi fototrofe sau chemotrofe; cele mai studiate aparin genurilor de bacterii prostecate: Rhodomicrobium, Rhodopseudomonas etc., dar aparin i genurilor de bacterii care nu sunt prostecate: Nitrobacter, Pasteuria etc. Formarea unei celule noi de ctre o bacterie poate fi cu adevrat un proces de nmugurire dac se ndeplinesc 3 criterii fundamentale: 1) criteriul morfologic: celula nou trebuie s fie mult mai mic dect celula mam i s rmn temporar ca atare (mic) i dup separare; 2) criteriul de dezvoltare: nmugurirea reprezint un caz particular de cretere a peretelui celulei parentale prin slbirea lui localizat, urmat de o cretere numai ntr-o zon foarte limitat. n cazul nmuguririi, nveliurile celulare sunt integral sintetizate de novo, astfel c nici un constituent parental din peretele celular nu e ncorporat n mugure. Diferena dintre diviziunea direct (a) i nmugurire (b): celula mam a) Materialul peretelui celular e distribuit egal celor dou celule fiice. b) 3) criteriul funcional: mugurele trebuie s reprezinte singurul mod de formare a unei celule noi la specia respectiv. Apariia mugurilor poate fi localizat unipolar sau bipolar. 3) Multiplicarea prin fragmentare E o form de reproducere vegetativ, observat la multe actinomicete, cum sunt cele din genul Nocardia, Actinomyces. n prima parte a ciclului celular are loc o cretere activ a masei celulare, sub forma unui miceliu, fr creterea numrului de celule viabile. Ulterior, n faza staionar a creterii, n care masa celular rmne constant, miceliul e supus unei fragmentri multiple, cu formarea unor septuri transversale, obinndu-se structuri cilindrice. Primul sept transversal apare aproape de mijlocul hifei i progreseaz secvenial de-a lungul filamentului spre extremiti. Urmeaz apoi eliberarea unor celule cilindrice, scurte, egale, cu extremitile tiate drept i care vor ncepe s creasc i s dea natere unui miceliu. 4) Multiplicarea prin spori Actinomicetele care au un miceliu nesegmentat se reproduc de obicei prin formare de exospori (spori de dispersare, de propagare). Fenomenul a fost mai bine studiat la Streptomyces coelicolor. Sporii sunt de tip asexuat, dispui de regul pe hifele aeriene, n lanuri de diferite lungimi, sau n vezicule sporale numite sporangi. Unele hife prezint o teac extern fibroas, care le nvelete ncepnd cu extremitatea liber, pe toat lungimea lor. nveliul celular este format din peretele hifei, acoperit de teaca fibroas. n anumite puncte ale peretelui hifei ncepe formarea septumului sporal prin depunerea n hifa aerian a unui disc inelar cu grosime dubl. Prin creterea acestui disc paralel cu peretele hifei ncepe formarea peretelui viitorului spor. Sporii se rotunjesc, se s