MICROBIOLOGIE ANUL II SEMESTRUL I curs 3

Curs 3: Nutritia, metabolismul si cresterea bacteriilor

Nutriţia, metabolismul şi creşterea bacteriilor

Nutriţia – asimilarea substanţelor nutritive din mediul extern

Nutrienţii – substanţe ale căror soluţii pot traversa membrana citoplasmatică

• Participă la reacţiile metabolice

• Compuşi: prin simplă solvire (CO2, O2, săruri minerale)

• Prin digestie extracelulară (proteaze, lipaze, amilaze)

Proteine	Polizaharide	Lipide	Acizi nuclei
Aa, scurte fragmente de polipeptidice	monozaharide	AG, glicerol	Nucleozide, fosfaţi anorganici

Nutrienţii – în citoplasma traversând membrana citoplasmatică:

• Fie prin difuziune simplă sau cu participarea carrier

• Fie prin transport activ în contragradient – necesară energie + pariticiparea unor permeaze

Principalele elemente necesare majorităţii bacteriilor sunt:

• C, N, O₂

• Săruri minerale.

Surse de carbon:

• Elementul cel mai bine reprezentat

• Autotrofe – folosesc CO₂ drept unică sursă de carbon

• Heterotrofe – compuşi organici drept sursă de carbon (în special carbohidraţi) şi sursă de energie în acelaşi timp

  • Unele heterotrofe – capnofile sau carboxifile

Surse de azot:

• Pentru sinteza proteinelor pot utiliza azot din sursă organică (peptide, aa) sau anorganică (săruri de amoniu)

Surse de oxigen:

• Aa, nucleotide, gliceride – ajung în celule prin nutrienţi

• O₂ necesar respiraţiei aerobe

Elemente minerale:

Sulful:

• Aa sub forma grupării tiol (-SH)

• Vitamine (tiamina, biotina)

• Coenzima A

Fosforul:

• Asimilat sub forma fosfaţilor anorganici

• Esenţial pentru sinteza acizilor nucleici, fosfolipidelor membranare, ATP

Na, K, Mg, Cl – asigură echilibrul fizico-chimic

Fe, Se – intră în structura chimică a citocromilor, peroxidazelor şi hidrogenazelor,

Ca + acid picolinic = dipicolinat de calciu

Co, Cu, Zn – oligelemente prezente ca impurificatori ai unor nutrienţi

• Activatori enzimatici

Factori de creştere:

Metaboliţi esenţiali a căror prezenţă este obligatorie în mediu (aa, baze purinic, pirimidinice, vitamine)

Bacterii fastidioase – bacteriile dependente de numeroşi factori de creştere.

SIntrofie – o specie bacteriană utilizează factor de creştere sintetizat de o altă specie

Mutant auxotrof – prin mutaţie pierde o enzimă oprind sinteza unui metabolit esenţial. Mutantul creşte numai dacă acest metabolit apare preformat în mediu (ex. mutant auxotrof pentru metionină). Auxotrofia oferă avantaj selectiv – bacteria auxotrofă se multiplică mai rapid decât tulpina prototrofă (parentală).

e. g. Treponema pallidum (agent etiologic al sifilisului), mai cultivă la iepure, Mycobacterium leprae (mai cultivă la tatuul cu 9 brîie din America de Sud).

Importanţa cunoaşterii necesităţilor nutritive:

• Utilizarea unor medii de cultură adecvate pentru izolarea din produse patologice

Metabolismul bacterian. Importanţa cunoaşterii:

• Înţelegerea modului de viaţă şi a habitatului diverselor specii, cât şi a probabilităţii de a veni în contact cu omul

• Definirea caracterelor fiziologice importante în identificarea speciei

• Înţelegerea mecanismului patogenic în raport cu posibilitatea unei bacterii de a se localiza şi multiplica într-un anumit ţesut sau organ.

Catabolismul: energie conservată în molecule de ATP şi apoi eliberată prin fosforilare pentru anabolism, transport activ transmembranar, mobilitate, 45% pierdută prin căldură.

Fototrofe – radiaţii luminoase

Chemotrofe – bacteriile care obţin energia prin reacţii de oxido-reducere

Chemolitotrofe – donor de electroni o substanţă anorganică

Chemoorganotrofe – donor de electroni o substanţă organică (bacterii de interes medical)

Metabolismul glucozei:

3 căi metabolice în catabolismul glucozei

1. Emden-Meyerhof-Parnas (EMP)

• Glucoză – piruvat – în condiţii de aerobioză + anaerobioză

• Energia în glicoliză – ATP, NADH

• În absenţa oxigen – acidul piruvic convertit în diferiţi produşi finali – fermentaţie la bacterii frecvent acid piruvic în lactic

  • Lactobacili – acid lactic

  • Propionibacterium: acid propionic + acid acetic + CO2 + H2

  • Escherichia: etanol + acid lactic + acid acetic + acid succinic + CO2 + H2

2. Calea pentozelor

Operează simultan cu glicoliza, ajunge la intermediari ai EMP prin transcetolaze, transaldolaze ex. E Coli

Calea Entner-Duodoroff – alternativă pentru glicoliza sau calea pentozelor numai la bacterii gram negative aerobe.

3. Ciclul acizilor tricarboxiligi

• În prezenţa oxigenului acidul piruvic este complet oxidat la H2O şi CO2

• Cale mfibolică – mecanism major de generare ATP, completă oxidare aa, acizi graşi, carbohidraţi, intermediari pentru sinteza de aa, lipide, purine, pirimidine.

Catabolismul hidraţilor de carbon:

Glucoza cea mai folosită dintre moleculele organice.

Bacteriile pot elibera energia din glucoză prin:

• Respiraţie

• Fermentaţie

Respiraţia:

• Aerobă – acceptorul final este O2

• Anaerobă – altul decât O2, ionul nitrat, sulfat

Presupune 3 etape: glicoloiza, ciclul Krebs, lanţul transportorului de electron

Calea EMP: 2 molecule ATP

Căi alternative 1 moleculă de ATP.

Ciclul Krebs – 2 molecule de ATP. Enzimele glicoloizei şi ciclului Krebs sunt localizate în citoplasme.

• În respiraţia aerobă la procariote: 1 moleculă de glucoză = 38 molecule ATP.

• În respiraţia anaerobă cantitatea de ATP variază <>

Fermentaţia – obţinerea energiei prin reacţii de oxido-reducere în care atât donorii cât şi acceptorii de electroni sunt compuşi organici. Cantitatea de ATP este mică: 2 molecule ATP.

Bacterii – strict aerobe – folosesc exclusiv respiraţia aerobă (superoxid dismutază, catalază)

• Strict anaerobe – exclusiv procesele fermentative

• Aerotolerante – metabolism de tip fermentativ, dar rămân viabile în prezenţa oxigenului.

• Facultativ anaerobe – respiraţia + fermentaţia

• Microaerofile – concentraţii reduse de O2 (5-6%)

Creşterea bacteriilor. Dinamica multiplicării.

Creşterea celulelor – sporirea mărimii şi masei acestora. La bacterii se referă la creşterea numărului de celule într-o populaţie, prin diviziune, realizată în progresie geometrică cu raţia 2 ( 2⁰, 2¹… 2ⁿ)

Culturile bacteriene

• continue

  • Chemostatul – nutrient factor limitant al creşterii

  • Turbidostatul densitatea bacteriilor măsurată turbidimetric – cultura menţinută la rata maximă de creştere

• Discontinue – în volum limitat de mediu

• timp de generaţie – timpul necesar dublării populaţiei

• rata de creştere – numărul de generaţii ce s-au acumulat în unitatea de timp

Faza de lag:

• Număr bacterii staţionar/scade

• Durata variază cu provenienţa şi numărul bacteriilor inoculate, compoziţia mediului

Cauzele:

• Refacerea stocului de structuri, enzime, metaboliţi esenţiali dacă inoculul provine dintr-o cultură „bătrână”

• Vindecarea leziunilor dacă provine dintr-o populaţie expsuă la agenţi antibacterieni

• Selecţia număr de mutante capabile să asimileze condiţiile noului mediu

• În această fază:

  • Sunt active metabolic

  • Cresc ăn dimensiune

  • Nu se divid

  • Sensibilitatea la agenţi antimicrobieni crescută

Faza de accelerare:

Începe multiplicarea cu scurtarea progresivă a timpului de generaţie până la o valoare constantă.

Faza de multiplicare exponenţială sau logaritmică

Timp de generaţie şi rata de creştere – constante – curba evoluează exponenţial până în momentul în care unul sau mai mulţi nutrienţi consumaţi şi / sau acumulare de produşi toxici.

Factor limitant – ex. Pentru bacterii aerobe oxigenul – lipsă se resimte la 10⁷ UFC/ml

Timpul de generaţie – determinat genetic – ex. E. Coli 20 min, Mycobacterium tuberculosis 27 ore.

Bacteriile:

• Au dimensiuni constante, uşor mai mari

• Sensibilitatea la agenţi antimicrobieni rămâne crescută

Faza de încetinire – cultura în faza exponenţială doar câteva generaţii

Faza staţionară:

• Rata de creştere nulă

• Numărul de bacterii vii constant mai multe ore

• Număr bacterii vii / numărul total de bacterii – variabil

Bacteriile:

• Au morfologia tipică – dimensiuni, incluzii, endospori

• Sensibilitatea la agenţi antimicrobieni scade

Faza de declin

• Bacteriile mor progresiv

• Dacă se însoţeşte de liză – scade nr. total de bacterii

• Morfologic – forme aberante

În laborator

• Pentru identificarea bacteriilor – culturi în faza staţionară – 18 – 24 ore

• Testarea sensibilităţii la antibiotice – faza logaritmică