2015 Suport Curs Biochimie

  • Published on
    06-Apr-2016

  • View
    21

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

curs

Transcript

  • 1

    I. MICROORGANISME PROCARIOTE ULTRASTRUCTURA CELULEI

    BACTERIENE

    Elementele structurale ale celulei bacteriene au fost clasificate n: elemente structurale

    constante (permanente) i elemente structurale inconstante (nepermanente).

    Elemente structurale constante

    Peretele celular bacterian

    Celula bacterian este delimitat de un perete celular bine definit structural, avnd o

    consisten rigid. Peretele acoper membrana citoplasmatic i poate la rndul su s fie acoperit la

    unele specii de o capsul sau de un strat mucos. Datorit indicelui de refracie mic, peretele celular

    este invizibil, ori foarte greu vizibil, la celulele vii examinate la microscopul fotonic. El poate fi pus

    n eviden prin colorare selectiv sau prin examinare la microscopul electronic. La bacteriile tinere,

    care au citoplasm abundent, compact i omogen peretele celular ader intim la coninutul celular

    subiacent. La celulele btrne ns, sau la cele n curs de liz, peretele celular devine evident datorit

    ndeprtrii de citoplasm. Examinat la microscopul electronic, peretele celular izolat are aspectul

    unui sac gol, care conserv forma bacteriei din care provine i o constituie asemntoare ochiurilor

    unei plase. Grosimea peretelui celular variaz ntre 15 35 nm, excepional putnd s ajung la 80

    nm. Este mai subire la celulele tinere fa de celulele btrne.

    Ultrastructura peretelui celular este diferit la cele dou grupe mari de bacterii (clasificate n

    funcie de afinitile tinctoriale): bacterii Gram pozitive i bacterii Gram negative.

    La bacteriile Gram pozitive peretele celular apare la microscopul electronic ca un strat unic,

    omogen. Componentul care se gsete n cea mai mare parte n peretele celular al acestor bacterii

    (80 90 % din greutatea uscat a celulei) este peptidoglicanul sau mureina. n afara acestui

    component peretele celular mai conine proteine, polizaharide i acizi teichoici. Peptidoglicanul este

    un component parietal comun i caracteristic tuturor bacteriilor, cu excepia celor din genul

    Mycoplasma i a bacteriilor halofile extreme. Din punct de vedere chimic peptidoglicanul este un

    heteropolimer compus dintr-o poriune glicanic i o poriune peptidic. Poriunea glicanic, foarte

    uniform este format din dou N acetil hexozamine diferite: N acetilglucozamina i acidul N

    acetilmuramic, legate ntre ele prin legturi 1,4. Acizii teichoici (gr. teichos = zid, perete) sunt

    prezeni numai n peretele celular al bacteriilor Gram pozitive, conferindu-le o serie de proprieti

    importante.

  • 2

    La bacteriile Gram negative peretele celular este mai subire, dar are o structur mai

    complex. El este alctuit din urmtoarele structuri: complexul peptidoglican lipoproteine care

    reprezint 2 10 % din greutatea peretelui celular i are o compoziie chimic foarte asemntoare

    la toate bacteriile Gram negative; membrana extern a peretelui celular, cu o grosime de 6 20

    nm, format din fosfolipide, proteine i lipopolizaharide; spaiul periplasmic sau periplasmatic

    ntlnit numai la bacteriile Gram negative, cuprins ntre membrana citoplasmatic i membrana

    extern a peretelui celular. n spaiul periplasmic se depoziteaz un mare numr de enzime i

    pigmeni. Enzimele au rolul de a hidroliza substanele nutritive ptrunse prin porii membranei

    externe, pregtindu-le pentru transportul activ prin membrana citoplasmatic.

    Semnificaia biologic a peretelui celular

    Peretele celular reprezint sistemul de susinere mecanic a ntregii celule. Datorit rigiditii

    sale determin forma caracteristic a celulelor bacteriene i o apr de aciunea factorilor

    nefavorabili din mediu. Asigur protecia celulei fa de ocul osmotic. Particip la procesul de

    cretere i diviziune celular, urmnd membrana citoplasmatic n formarea septului transversal care

    separ celula mam n cele dou celule fiice. Datorit porilor, peretele celular permite ptrunderea n

    celul a substanelor nutritive i eliminarea substanelor rezultate din metabolism. Particip indirect

    la deplasarea bacteriilor ciliate, constituind suportul rigid pe care se sprijin cilii n contracie.

    Conine substanele care dau specificitatea antigenic a celulelor i receptori specifici pentru fixarea

    bacteriofagilor (virusuri care paraziteaz bacteriile).

    Membrana citoplasmatic

    Membrana citoplasmatic acoper citoplasma celulei bacteriene separnd-o de suprafaa

    intern a peretelui celular de care este, de obicei, strns lipit. Poate fi pus n eviden i la

    microscopul fotonic, dup o colorare selectiv cu albastru Victoria, sau fr colorare, la bacteriile vii

    examinate n cmp ntunecat, caz n care apare ca o linie net, luminoas, strlucitoare. La

    microscopul electronic, pe seciuni ultrafine membrana citoplasmatic prezint o structur

    tristratificat, tipic tuturor membranelor biologice: dou foie opace la electroni ce limiteaz o foi

    intern electronotransparent. Grosimea membranei citoplasmatice este de 7,5 10 nm i nu

    prezint pori. Din punct de vedere chimic este format din proteine, lipide i glucide. Membrana

    citoplasmatic este prevzut cu numeroase invaginri de form vezicular, lamelar sau tubular

    care ptrund n citoplasm. Aceste invaginri sunt denumite mezozomi i mpreun cu membrana

    citoplasmatic din care deriv formeaz sistemul membranar unic sau unit membrana.

    Mezozomii au caracteristicile structurale ale membranei plasmatice din care deriv. Sunt mai

    numeroi i mai bine dezvoltai la bacteriile Gram pozitive comparativ cu bacteriile Gram negative

    unde sunt, n general, rudimentari, slab dezvoltai ca mrime i mai puini ca numr. Mezozomii

  • 3

    sunt structuri multifuncionale. Au o deosebit plasticitate structural ca rspuns la nevoile variate

    ale celulei. Formarea lor reprezint o modalitate prin care celula bacterian i mrete suprafaa

    membranei citoplasmatice, n funcie de condiiile de mediu. De aceea, se consider c nu ar avea

    funcii diferite fa de cele ale membranei plasmatice. Mezozomii sunt legai att de membrana

    plasmatic, ct i de materialul nuclear, avnd rol important n controlul replicrii cromozomului

    bacterian. Mezozomii sunt implicai i n sinteza membranei plasmatice, a peretelui celular i a

    septului transversal care separ celulele dup diviziune.

    Semnificaia biologic a membranei citoplasmatice

    Membrana citoplasmatic reprezint o component permanent a celulei bacteriene, avnd

    rolul de a delimita spaiul intracelular. Pentru celula bacterian membrana citoplasmatic reprezint

    o barier osmotic semipermeabil, asigurnd o rapid echilibrare a ionilor de sodiu ntre interiorul

    i exteriorul celulei, o concentrare intracelular a ionilor de potasiu i magneziu, precum i a unor

    metabolii. Membrana citoplasmatic este sediul a numeroase enzime respiratorii, reprezentnd o

    important structur cu rol energetic. Membrana citoplasmatic coordoneaz creterea i diviziunea

    celular, iniiind replicarea cromozomului bacterian i asigurnd separarea cromozomilor fii, prin

    formarea septului transversal de diviziune.

    Materialul nuclear

    Spre deosebire de celulele eucariote care au un nucleu cu structur bine definit, mrginit de

    o membran, coninnd un numr definit de cromozomi capabili de diviziune mitotic, materialul

    nuclear bacterian are o form primitiv de organizare, lipsit de membran, situat n partea central a

    celulei i care nu sufer modificri de tip mitotic n cursul ciclului de diviziune. Datorit

    caracteristicilor sale particulare, aceast structur a fost desemnat cu numeroi termeni: nucleoid,

    nucleozom, material nuclear, nucleoplasm, cromozom bacterian etc. Din punct de vedere

    chimic materialul nuclear conine 60% ADN, 30% ARN i 10% proteine. Se pare c ARN-ul i

    proteinele contribuie la conservarea unitii structurale a nucleoplasmei, n lipsa unei membrane

    proprii. Evidenierea materialului nuclear bacterian la microscopul fotonic nu se poate face prin

    colorare selectiv dect dup ndeprtarea ARN-ului citopasmatic, realizat prin hidroliza acid sau

    enzimatic cu ribonucleaz. Cu ajutorul acestor tehnici materialul nuclear apare sub diferite forme:

    granule sferice sau ovalare, halter, bastonae izolate sau dispuse n V etc., reprezentnd 5 16%

    din volumul celulei. Pe micrografiile electronice se constat localizarea materialului nuclear n

    partea central a celulei. El se prezint ca o zon clar, cu o densitate medie mai mic dect cea a

    citoplasmei nconjurtoare. Pe seciuni ultrafine s-a observat c regiunea nuclear este plin cu

    filamente foarte fine, uneori aranjate n iruri ondulate, paralele asemntoare unei papiote de a,

    cteodat rsucit. Aceste filamente sunt formate din ADN i corespund cromozomului bacterian. n

  • 4

    mod normal, bacteriile aflate n faza de repaus, n culturi staionare i vechi au un singur cromozom,

    deci sunt uninucleate. n faza de cretere activ, n culturi tinere, pe medii optime ele apar

    multinucleate, avnd 2 4 cromozomi, identici genetic, deoarece provin prin replicarea

    cromozomului parental. De aceea, indiferent de aspectul morfologic al materialului nuclear, din

    punct de vedere genetic bacteriile sunt haploide. Apariia bacteriilor multinucleate este rezultatul

    unei lipse de sincronizare ntre ritmul de cretere i ritmul de diviziune celular. Bacteriile

    multinucleate apar i sub influena unor condiii de mediu. Astfel, sub aciunea penicilinei, care

    blocheaz sinteza mureinei din peretele celular, aceasta nu mai poate participa la formarea septului

    transversal de diviziune i apar astfel celule filamentoase sau globuloase cu mai muli nuclei.

    Semnificaia biologic a materialului nuclear

    Cromozomul bacterian poart n structura sa ntreaga informaie genetic necesar pentru

    biosintez, cretere, diviziune, reglarea activitii celulare etc. Determin arhitectura celulei

    bacteriene, ereditatea i capacitatea ei de evoluie. Datorit lipsei membranei proprii, un contact

    direct ntre ADN i ribozomii din citoplasm face ca transferul informaiei genetice s se fac foarte

    rapid.

    Incluziunile citoplasmatice

    Incluziunile sunt formaiuni structurale ce cuprind o serie de substane inerte depuse n

    citoplasma celulei, cu rol de substan de rezerv. Dup structura lor, evideniat la microscopul

    electronic, ele sunt de dou tipuri:

    A - incluziuni nconjurate de membran: incluziuni de poli -hidroxibutirat, incluziuni cu

    sulf i carboxizomii;

    B - incluziuni nenconjurate de membrane: incluziuni de polimeri anorganici, incluziuni

    polizaharidice, rhapidozomii i magnetozomii.

    Incluziunile de poli -hidroxibutirat sunt specifice numai procariotelor. Aceste incluziuni se

    observ uor datorit gradului mare de refringen sau pot fi puse n eviden dup o colorare

    specific pentru grsimi (negru de Sudan). n celulele vii apar ca granulaii rotunde foarte

    refringente i reprezint un material de rezerv tipic pentru procariote.

    Incluziunile cu sulf apar sub forma unor corpusculi strlucitori, birefringeni la dou grupe

    ecologice de bacterii: bacterii sulfuroase purpurii (genul Chromatium) i la bacterii sulfuroase

    nepigmentate (genurile Beggiatoa, Thiothrix). Granulele de sulf se gsesc n cantiti mari la

    bacteriile care cresc n medii bogate n hidrogen sulfurat i reprezint un depozit, deoarece dispar

    prin oxidarea sulfului, dac aceste bacterii sunt transferate ntr-un mediu srac n hidrogen sulfurat.

  • 5

    Carboxizomii sunt incluziuni cu profil poliedric n numr variabil (1 200) prezeni la

    bacteriile care fixeaz CO2 pe calea pentozofosfailor. Sunt localizai n vecintatea nucleoplasmei i

    reprezint locul de depozitare a enzimelor cu activitate n fixarea CO2 .

    Incluziunile de polimeri anorganici se mai numesc i incluziuni de volutin, denumire dat

    de Grimm (1902) deoarece au fost gsite n numr mare la bacteria Spirillum volutans. Aceste

    incluziuni au fost descoperite de ctre V. Babe n 1897 la Corynebacterium diphtheriae i

    Mycobacterium tuberculosis i apoi de Ernst n 1899 la alte bacterii, fapt pentru care mai sunt numii

    i corpusculii Babe Ernst. Datorit coninutului mare n polifosfai anorganici produc efecte

    metacromatice (se coloreaz n rou - violet cu albastrul de metilen) motiv pentru care au fost

    denumite i granulaii metacromatice. Granulele de volutin reprezint o rezerv de fosfor i energie

    intracelular.

    Incluziunile polizaharidice cuprind incluziunile de glicogen i amidon. Acestea se ntlnesc

    ca substane de rezerv la bacteriile aerobe sporulate. La microscopul fotonic pot fi observate dup o

    prealabil tratare a celulelor cu iod n iodur de potasiu. n aceste condiii incluziunile de glicogen se

    coloreaz n brun rocat, iar cele de amidon n albastru, n contrast cu citoplasma care apare colorat

    n galben pal.

    Rhapidozomii sunt particule ribonucleoproteice sub form de bastonae scurte, rigide, intra-

    sau extracelular, care pot fi eliminate din celule prin liza lor. Sunt ntlnii la numeroase specii de

    mixobacterii, la Proteus, Pseudomonas, Actinomyces. Conin proteine i ARN n proporie de 2:1.

    Magnetozomii sunt incluziuni care conin fier i au rol n orientarea i migrarea unor bacterii

    sub influena cmpurilor magnetice slabe. Se ntlnesc la unele bacterii magnetotactice din

    sedimentele marine sau de ap dulce. Nu se gsesc dispersai n celul ci formeaz una, dou

    formaiuni intracelulare alctuite din 5 41 particule de form cubic, cu colurile rotunjite, situate

    n apropierea suprafeei interne a membranei plasmatice. Magnetozomii conin fier sub form de

    magnetit. Ei acioneaz ca o busol biomagnetic, asigurnd orientarea i deplasarea bacteriilor n

    cmpurile magnetice.

    Elemente structurale inconstante

    Capsula i stratul mucos

    Unele bacterii au proprietatea de a elabora, n anumite condiii de mediu, substane

    macromoleculare cu caracter vscos, gelatinos mucos.

    n funcie de structura i raporturile cu celula bacterian substana mucoid se poate prezenta

    sub urmtoarele forme:

  • 6

    a) Microcapsula - la care substana mucoid alctuiete un strat foarte fin n jurul celulei

    bacteriene, avnd o grosime de 0,2 m. Nu poate fi observat la microscopul fotonic, dar

    este detectabil prin metode imunologice.

    b) Macrocapsula sau capsula adevrat - are o grosime ce depete 0,2 m i se prezint

    ca o formaiune morfologic distinct care nvelete de jur mprejur fiecare celul sau

    perechi de celule.

    c) Stratul mucos - apare ca o mas amorf, neorganizat n jurul celulei bacteriene.

    d) Zooglea sau masa zoogleic - n care stratul mucos leag ntre ele mai multe celule,

    formnd adevrate colonii mucilaginoase de bacterii.

    Macrocapsula sau capsula adevrat apare la microscopul fotonic ca un halou incolor n jurul

    celulei bacteriene. Dimensiunile ei variaz foarte mult n raport cu corpul bacterian. Spre deosebire

    de stratul mucos care formeaz n jurul bacteriilor o reea lax i difuz de exopolizaharide, fr o

    structur definit, capsula adevrat este strns aderent de peretele celular. Exemple de bacterii

    capsulate: Bacillus anthracis, Streptococcus pneumoniae, Leuconostoc mesenteroides, Enterobacter

    aeruginosa, Klebsiella pneumoniae.

    Capsula este greu de observat prin microscopie direct. Are o afinitate slab pentru colorani

    i de aceea ea poate fi evideniat numai prin coloraii speciale. Dup coloraii uzuale ea apare ca un

    halou incolor. Fiind puin opac pentru electroni...