Fiziologie bacteriana

Fiziologie  bacteriana

Compozitia chimica a bacteriilor

-Apa- este componentul predominant din punct de vedere cantitativ, reprezentand aproximativ 75-85% din greutatea umeda a celulei bacteriene. O parte se gaseste sub forma de apa de constitutie, incorporata in structura diverselor componente chimice celulare. Cea mai mare parte se gaseste insa ca apa libera, conferind mediului endocelular un pronuntat caracter hidric. In apa libera se gasesc solvate cantitati apreciabile de saruri minerale. De caracterul hidric endocelular depinde desfasurarea in bune conditii a intregului metabolism. Apa libera participa ca substrat in majoritatea reactiilor biochimice. Diminuarea continutului in apa determina o incetinire a ritmului de desfasurare a proceselor metabolice. Apa intervine in reglarea echilibrului osmotic endocelular, a pH-ului si a potentialului oxidoreducator. Continutul in apa libera influenteaza rezistenta celulei la unii factori chimici si fizici, diminuarea ei crescand rezistenta bacteriei la uscaciune, temperatura si la unele substante chimice.

-Sarurile minerale- reprezinta intre 2-30% din greutatea uscata a celulei bacteriene. Cantitatea lor variaza cu specia, cu starea fiziologica a celulei, cu compozitia chimica a mediului etc. De obicei celulele bacteriene tinere contin saruri minerale in cantitati de 6-7 ori mai mari decat celulele batrane. Dintre componentele minerale cel mai bine reprezentate cantitativ sunt P, K, Na, Mg, Ca, S, Cl. In cantitati mai mici se gasesc Zn, Fe, Cu, Mn etc. Predomina compusii de P, care reprezinta in medie 45% din totalul componentelor minerale (la M. tuberculosis pot ajunge pana la 74%). Unii compusi minerali intra in structura componentelor macromoleculare cu rol plastic; altii intra in structura enzimelor si coenzimelor sau indeplinesc rol de activatori in diverse procese metabolice (Ca, Na, Zn). Constituentii minerali intervin apoi in numeroase procese: asigura reglarea presiunii osmotice endocelulare si mentinerea echilibrului de membrana, influentand permeabilitatea acesteia; contribuie la reglarea pH-ului si a potentialului oxido-reducator etc. Compusii de P au rol esential in metabolismul energetic al celulei bacteriene. In legaturile fosforice macroergice ale acestora se pot stoca cantitati mari de energie, pe care celula o poate elibera in raport cu cerintele sale. Bacteriile sunt vietuitoare cu necesitati minerale mari si multiple. Cunoasterea acestora are o importanta deosebita in practica cultivarii germenilor pe medii artificiale, iar in multe cazuri chiar la izolarea si identificarea unor specii.

-Glucidele- reprezinta 4-25% din greutatea uscata a celulei. Continutul lor variaza cu specia si cu starea fiziologica a bacteriilor. Ozidele se gasesc libere, in curs de metabolizare, sau legate de componente de alta natura. Cele mai cunoscute ozide sunt: glucoza (sau derivati ca glucozamina, acidul glucuronic), galactoza, manoza, arabinoza etc. Dintre pentoze, in categoria ozidelor intra riboza si dezoxiriboza, care se gasesc in structura acizilor nucleici.

Poliozidele se gasesc sub forma de polimeri simpli sau complecsi, fiind definite generic "polizaharide bacteriene". Dintre polimerii simpli, in citoplasma pot fi intalniti amidonul sau glicogenul, care servesc ca materii de rezerva. In celula bacteriana pot fi intalniti frecvent polimeri complecsi formati din ozide conjugate cu acizi uronici: cidul hialuronic din structura capsulei la streptococi, polizaharidele capsulare la pneumococi etc. Unele glucide se leaga cu anumite polipeptide formand polimeri complecsi cu rol structural, cum este, de exemplu, mureina din structura peretelui bacterian. Alte glucide formeaza cu diverse lipide complexele lipopolizaharidice (lps) prezente in peretele celular la bacteriile Gram negative, constituind antigenii "O" si endotoxinele acestora. Multe polizaharide extrase din celula bacteriana au caracter de antigeni incompleti sau haptene (pot intra in reactie cu anticorpii, dar nu pot induce sinteza lor).

-Lipidele- difera cantitativ in limite largi de la o specie la alta. Reprezinta 2-40% din greutatea uscata a celulei bacteriene. Bacteriile cele mai sarace in lipide sunt stafilococii (2,8%), iar cele mai bogate in lipide sunt bacteriile din genul Mycobacterium. Continutul in lipide variaza la aceeasi specie in functie de varsta celulelor si de compozitia chimica a mediului. La unele specii bacteriene lipidele se pot acumula in celula si ca materie de rezerva, mai ales cand germenii sunt cultivati in conditii restrictive (pe medii bogate in C si in surse energetice, dar sarace in N) sau pe medii cu o anumita compozitie chimica. Lipidele bacteriene sunt in general foarte variate, o parte se gasesc sub forma de compusi esterificati cu alcooli. Multe lipide reprezinta pentru celula bacteriana o importanta sursa de C si energie. Unele indeplinesc rol structural, cum sunt cele din peretele bacteriilor Gram negative si din peretele bacteriilor acido-rezistente. Fosfolipidele intra in structura membranei citoplasmatice.

In general, lipidele bacteriene pot fi grupate in trei categorii:

a) lipide neutre, unele acumulandu-se in celula ca materie de rezerva, sub forma de polimeri ai acidului betahidroxibutiric;

b) ceride, formate prin esterificarea acizilor grasi (cu greutate moleculara mare) cu alcool. Sunt prezente mai ales la bacteriile acido-rezistente, in proportie de 5-10% din greutatea lor uscata. Lipsesc sau se gasesc in cantitati reduse la bacteriile neacido-rezistente;

c) fosfolipidele, bine reprezentate cantitativ la toate bacteriile (contin acizi grasi, alcooli, baze azotate si acid fosforic). De exemplu, la enterobacterii fosfolipidele reprezinta pana la 50% din totalul lipidelor. Lipidele din complexele lipopolizaharidice sunt fosfolipide in proportie de 80-95%.  -Proteinele. Bacteriile sunt foarte bogate in proteine, acestea reprezentand in medie 60% din greutatea lor uscata. Se apreciaza ca intr-o celula exista circa 106 molecule proteice, apartinand la 2000-3000 de tipuri. Variatiile cantitative si calitative sunt in general restranse, dependente mai ales de starea fiziologica a celulelor bacteriene. Majoritatea proteinelor sunt combinate sau conjugate cu componente neproteice (lipide, glucide, acizi nucleici sau componente anorganice), formand cu acestea diferite heteroproteine (nucleoproteine, metaloenzime, enzime cu grupari prostetice de tipul hemului etc.), precum si complexe macromoleculare cu rol structural (lipoproteine, lps etc.).

Acizii nucleici

Acidul dezoxiribonucleic (ADN)

Se gaseste in celula bacteriana in cantitate relativ constanta la fiecare specie, cuprinsa intre 1-5% din greutatea uscata. Cea mai mare parte formeaza o macromolecula giganta, care reprezinta nucleotidul, respectiv cromozomul unic al bacteriei (cu o greutate moleculara de 2,5x10¹⁰ ) . In citoplasma se mai pot gasi macromolecule de ADN nesemnificative cantitativ, acestea formand plasmidele, respectiv factorii genetici extracromozomali. In structura acestui component macromolecular intra 4 tipuri de nucleotide care se deosebesc prin baza aminata purinica (adenina, guanina) sau pirimidinica (citozina, timina) pe care o contin. Macromoleculele de ADN au proprietatea esentiala de a se automultiplica prin replicare (duplicare).

Modelul acestei autoreproduceri "semiconservative" a fost enuntat ipotetic pentru prima data de Watson si Crick. Ipoteza a fost confirmata initial prin cercetari efectuate pe Escherichia coli. In procesul de replicare intervin trei enzime:

-ADN-endonucleaza, cu rolul de a sectiona cele doua catene;

-ADN-polimeraza, cu rolul de a sintetiza catenele noi;

-ADN-ligaza, cu rolul de a lega fragmentele de ADN format prin replicare. 

Plasmidele

Sunt factori genetici extracromozomali. Cantitativ reprezinta pana la 1% din masa genomului bacterian. Se gasesc in citoplasma ca elemente genetice autonome. Unele plasmide au insa proprietatea de a se putea integra tranzitoriu in cromozom, replicandu-se si functionand solidar cu acesta. Plasmidele care se pot integra in cromozom au fost denumite mult timp "epizomi", termen la care s-a renuntat. Proprietatea de integrare este definita ca functie epizomala Plasmidele au fost descoperite initial la E. coli, in corelatie cu fenomenul de conjugare, iar apoi la alte enterobacterii. Ulterior au fost identificate la toate bacteriile studiate, astazi fiind cunoscute un numar foarte mare de tipuri de plasmide. Cele mai amplu studiate sunt: factorul "F", factorul "R", factorul "col", factorul "ent" etc. De mentionat este faptul ca anumiti fagi temperati se comporta similar plasmidelor.

Acidul ribonucleic (ARN)

Este un component macromolecular mult mai heterogen ca structura, marime si functii. Din punct de vedere chimic este un polimer ribonucleotidic format din patru tipuri de nucleotide, care contin adenina (A), guanina (G), citozina (C) sau uracil (U). Majoritatea tipurilor de ARN au o structura monocatenara si o configuratie spatiala lineara. Bacteriile contin, la fel ca toate celulele, trei tipuri de ARN implicate in mecanismele de biosinteza a proteinelor: ARN_m , ARN_t si ARN_r.

ARN_m (sau mesager) are rolul de a transmite informatia genetica de biosinteza a proteinelor de la cromozom la ribosom si de a specifica ordinea de incorporare a acizilor aminati in lantul polipeptidic. Reprezinta cantitativ cca 1-2% din totalul ARN-ului celular. Sinteza de ARN_m este mediata de o ARN-polimeraza dependenta de ADN, succesiunea bazelor fiind specificata pe baza complementaritatii, de ordinea in care bazele aminate se succed in catena de ADN care serveste ca "matrita". In acest mod se realizeaza, de fapt, "transcrierea" fidela din ADN in ARN_m a informatiei genetice de biosinteza a proteinei. Procesul de formare a ARN_m pe "matrita de ADN a putut fi vizualizat electrono-optic la E. coli. Rata de sinteza este foarte ridicata, celula isi reinnoieste in permanenta macromoleculele de ARN_m, in concordanta cu cerintele de biosinteza a proteinelor. La E. coli rata de sinteza este de 55 nucleotide/secunda, la 37 C.

ARN_t (sau de transport) are rolul de a lega si transporta acizii aminati din citoplasma la ribosomi. Moleculele sale sunt relativ mici, fiind formate din aproximativ 70-90 nucleotide. Catena lor formeaza prin pliere "bucle" si "brate" care dau moleculei o configuratie spatiala caracteristica, asemanatoare cu o frunza de trifoi. Sinteza macromoleculelor de ARN_t este specificata de anumite gene din ADN-ul celular. Se apreciaza ca E. coli are pentru sinteza diferitelor tipuri de ARN_t cca 30-40 gene, unele fiind situate in tandem in grupari de 3-4 gene. 

ARN_r (ribosomal) leaga ribosomii in formatiuni "poliribosomale", constituind scheletul structural al acestor formatiuni. Rolul pe care il are in procesele de biosinteza a proteinelor este inca mai putin cunoscut. Cantitativ reprezinta 80-90% din totalul ARN-ului celular.