Metabolism bacterian - reactiile catabolice (metabolism energetic)

METABOLISM BACTERIAN

Definitie: totalitatea reactiilor biochimice care au loc in celula bacteriana, precum si cele determinate de microorganism in mediul inconjurator. Scop final: cresterea si multiplicarea bacteriei.

Cuprinde:

1. Reactiile catabolice: prin aceste reactii substratul nutritiv se fragmenteaza in unitati componente, cu eliberare de energie;

2. Reactiile metabolice intermediare: prin care energia rezultata din primele reactii este inmagazinata in compusi macroergici;

3. Reactii anabolice: reactii prin care celula bacteriana isi sintetizeaza substantele proprii, cu consum energetic.

Observatie: Toate aceste reactii sunt catalizate de enzime a caror activitate este controlata genetic, astfel incat intensitatea lor sa fie cat mai eficient adaptata conditiilor in care bacteria creste si se inmulteste.

1. REACTIILE CATABOLICE (METABOLISM ENERGETIC)

Se desfasoara in 4 faze: descompunerea extracelulara a substantelor organice, absorbtia substantelor, pregatirea subtantelor pentru oxidare si oxidarea substantelor.

1.1. Descompunerea extracelulara a substantelor organice in unitati mai mici sub actiunea unor exoenzime. La bacteriile care au ca habitat omul substantele din mediul ambiant pot fi: proteine, acizi nucleici, colagen, lipide, mucopolizaharide, pentru descompunerea carora bacteriile secreta exoenzime hidrolitice, care pot fi in acelasi timp si factori de patogenitate.

1.2. Absorbtia substantelor din mediul extern, care se desfasoara prin intermediul a 3 mecanisme:

pasiv, in functie de concentratia unei substante in interiorul si exteriorul celulei (ex: glicerolul);

activ, prin procesul de fosfarilare a substantei ce urmeaza a fi absorbita, cu consum energetic (ex: glucoza, pentru a fi absorbita, trebuie transformata in glucozo-6-fosfat);

activ, prin legarea substatei de proteine transportoare (permeaze), cu consum energetic. Astfel se absorb substante pe care celula bacteriana le depoziteaza in concentratii foarte mari fata de concentratia din mediu. Daca celula bacteriana este lipsita de o permeaza, cum este permeaza pentru lactoza, aceasta nu poate fi absorbita nici daca bacteria, complet lipsita de lactoza, se afla intr-o solutie cu continut foarte mare de lactoza.

O mentiune speciala trebuie facuta pentru fier (Fe), necesar bacteriilor in multiplicare. In tesuturi Fe nu se gaseste in stare libera, ci legat de proteine (transferina, siderofilina). Bacteriile au dezvoltat mecanisme ingenioase de absorbtie a Fe prin secretia sideroforilor, substante chelatoare de Fe, care scot Fe din combinatiile sale, facandu-l absorbabil.

1.3. Pregatirea subtantelor pentru oxidare se face prin reactii de decarboxilare, dezaminare, fosforilare.

1.4. Oxidarea substantelor se face cu eliberare de energie; are loc cu pierdere de electroni (ioni de H₂). Substanta care se va oxida se numeste donor, iar substanta care se reduce se numeste acceptor de H₂. In urma oxidarii rezulta o substanta oxidata, o subtanta redusa si o anumita cantitate de energie (substanta energogenetica: glucoza).

In functie de acceptorul final de H₂ exista 3 tipuri de oxidatie:

respiratia bacteriana este procesul in care acceptorul final de H₂ este O₂ atmosferic; donorul este o substanta organica; transferul de electroni este efectuat prin lantul respirator;

fermentatia bacteriana consta in procese de oxidare partiala a substratului, donorul si acceptorul final de H₂ fiind o substanta organica;

respiratia anaeroba este procesul in care donorul este o substanta organica, iar acceptorul final de H₂ este O₂ prezent intr-o sare anorgranica (nitrat sau sulfat) care se va reduce;

Observatie: termenul de respiratie anaeroba folosit de bacteriologi se refera la fermentatia in absenta O₂.

1.4.1. RESPIRATIA BACTERIANA

Pentru bacteriile aerobe este legata de sistemul membranar al bacteriilor (membrana citoplasmica, mezozomi). Cantitatea de energie eliberata este mai mare decat cea eliberata prin fermentatie, deoarece oxidarii de substrat ii urmeaza oxidatia de transfer, in care electronii sunt transportati pe lantul respirator pana la acceptorul final de hidrogen (oxigenul atmosferic) si fosforilarea oxidativa. Astfel, la degradarea completa a unei molecule de glucoza bacteriile obtin 38 molecule de ATP.

Lantul respirator sau lantul transportorilor de electroni are in componenta citocromi, flavoproteine, ubichinone.

Citocromii reprezinta transportori de electroni, apartinand unui grup continand fier (hem). Atomul central al citocromilor este fierul ce poate trece din stare oxidata (Fe3+) in stare redusa (Fe2+). Continutul bacteriilor in citocromi difera in functie de specie si conditiile de crestere.

Flavoproteinele reprezinta proteine ce contin o coenzima derivata din riboflavina (B2). Exemplu: FAD (flavinadenindinucleotid).

Quinonele reprezinta substante neproteice cu functie de transport a proteinelor in sistemul transportor de electroni. Exemplu: proteine cu fier si sulf (cu 2, 4, 8 atomi de sulf instabil).

1.4.2. FERMENTATIA BACTERIANA foloseste compusi organici ca donori si acceptori de electroni. Ea se produce pe urmatoarele cai metabolice:

Glicoliza Embden-Meyerhof, in care dintr-o molecula de glucoza rezulta 2 molecule de acid piruvic si 2 molecule de ATP.

Fermentatia secundara a acidului piruvic (ura 6), care poate fi:

# lactica:

Exemple: bacilii lactici si unii streptococi din intestin.

# alcoolica:

Exemple: drojdii.

# acida mixta:

Exemple: Escherichia coli si alte bacterii intestinale.

# butilen-glicolica

Exemple: Enterobacter, Bacillus.

# propionica

Exemple: Propionibacterium, Veillonella (anaerobi nesporulati).

# butiric-butanolica:

Exemple: Clostridium.

ura 6: Fermentatia secundara a acidului piruvic (dupa V. Bilbiie, 1984,1985)

Cai alternative de metabolizare a glucozei: suntul fosfatilor si calea Entner-Doudoroff (pentru Pseudomonas).

Observatie: and cele doua procese, fermentatia si fosforilarea prin transport de electroni, se poate spune ca fermentatia este un proces primitiv de eliberare de energie, intalnit la bacteriile anaerobe care au aparut primele, in conditiile in care atmosfera pamantului era lipsita de O₂. Dupa aparitia O₂ s-au dezvoltat procesele fosforilarii oxidative.

In glicoliza, dintr-un mol de glucoza se sintetizeaza 2 moli de ATP, pe cand prin respiratie, prin activitatea coordonata a glicolizei, ATC si lantului respirator, se sintetizeaza 38 moli ATP.

1.4.3. RESPIRATIA BACTERIANA ANAEROBA

Foloseste compusi anorganici (nitriti, nitrati, sulfati) in transferul de electroni prin lantul respirator (acestia se reduc), in absenta O₂ molecular. In cazul bacteriilor strict anaerobe, O₂ poate fi chiar toxic, datorita formarii unui radical liber reactiv, denumit superoxid

Unele bacterii aerobe, ca bacilul piocianic, in absenta oxigenului, pot obtine energia necesara prin respiratie anaeroba (de exemplu, respiratia nitritilor), proces numit denitrificare.

2. REACTII INTERMEDIARE

Sunt reactiile in care energia rezultata in urma oxidarii va fi transformata in energie chimica sub forma de ATP si tioesteri: Acetyl-C_oA. Energia stocata va fi eliberata la nevoie pentru amorsarea unor reactii catabolice sau pentru sinteza unor molecule cu rol structural sau functional.

3. REACTII ANABOLICE

Sunt reactii prin care celula bacteriana isi sintetizeaza substante cu rol structural (macromolecule) si functional (enzime), din compusi simpli, rezultati in timpul reactiilor catabolice sau intermediare si cu consum energetic. La aceasta se adauga sinteza unor substante cu rol de rezerva energetica (incluzii de polizaharide si lipide).

Posibilitatea reactiilor de biosinteza difera de la o specie la alta. Astfel, unele bacterii sunt capabile sa sintetizeze toti aminoacizii, nucleotidele, monozaharidele si coenzimele, din substante simple. Alte bacterii sunt lipsite de unele linii metabolice, fiind dependente de aportul din exterior al substantelor ce se sintetizeza pe aceste cai. Bacteriile de interes medical se situeaza intre cele doua extreme.

Totalitatea proceselor prin care bacteria isi procura, din mediul inconjurator, substantele necesare supravietuirii, cresterii si inmultirii reprezinta nutritia bacteriana. Cu cat o specie bacteriana are mai multe necesitati, cu atat ea este mai dependenta de macroorganismul parazitat.

Pentru sinteza elementelor structurale propii si a unor enzime de adaptare la conditiile mediului ambiant bacteriile necesita: surse de azot, surse de carbon, O_2, fosfor, ioni anorganici, factori de crestere.

Dupa sursa de energie folosita in respiratie bacteriile pot fi:

bacterii fotosintetizante care utilizeaza ca sursa energetica lumina solara. Pigmentii fotosintetici din bacterii sunt denumiti bacterioclorofila a, b, c, d. Bacteriile mai contin si diferiti pigmenti carotenoizi care determina colorarea coloniilor. Acesti carotenoizi absorb energia joasa, care este transferata moleculelor de bacterioclorofila pentru a fi folosita in fotosinteza.

bacterii chimiosintetizante (majoritatea bacteriilor cunoscute) folosesc drept sursa de energie substantele chimice din mediul de crestere, si anume substante anorganice: amoniac, NO₂, H₂S.

Dupa sursa de carbon, bacteriile se clasifica in:

bacterii de tip autotrof: bacterii capabile sa-si sintetizeze toti metabolitii esentiali, plecand de la compusi anorganici, sursa de carbon fiind CO₂. Ele pot trai independent de materia organica, in mediul natural sau artificial de nutritie. Ele sintetizeaza materie organica din materie anorganica, contribuind esential la circuitul substantelor in natura. Aceste bacterii pot fi: sulfobacterii si nitrobacterii, care la randul lor pot fi nitrifiante (nitrobacter) si denitrifiante (anaerobe).

bacterii de tip heterotrof: reprezinta majoritatea speciilor bacteriene (toate bacteriile din patologia umana si animala). Aceste bacterii necesita pentru biosintezele proprii atat materie organica, cat si anorganica. Bacteriile heterotrofe pot fi: fotoheterotrofe (bacterii ce folosesc lumina ca sursa de energie si componente organice ca sursa primara de carbon) si chimioheterotrofe (bacterii care obtin necesarul de carbon si energie din metabolismul unui singur compus organic).

bacterii mixotrofe: bacterii care folosesc ca sursa de carbon atat substante organice, cat si CO₂.

In ceea ce priveste sursa de azot: azotul reprezinta aproximativ 10% din greutatea uscata a bacteriilor. Majoritetea bacteriilor obtin preferential azotul din saruri de amoniu (Escherichia coli, Salmonella). Alternativ, poate fi utilizat azotul organic (aminoacizi sau polipeptide) sau, de catre un numar limitat de bacterii, azotul atmosferic ori cel din nitriti. In toate aceste cazuri insa azotul este initial convertit la amoniac. Azotul organic poate fi utilizat si direct prin reactii de transaminare.

Dupa sursa de carbon si de azot pe care bacteriile le pot folosi bacteriile heterotrofe pot fi :

bacterii care folosesc carbon din surse organice si azot molecular atmosferic. Din aceasta categorie fac parte specii aerobe (Azotobacterr) si anaerobe (Clostridium);

bacterii care folosesc carbon organic si azot din combinatii anorganice. Carbonul este furnizat de glucide, alcooli, acizi grasi. Azotul rezuta din amoniac, sarurile de amoniu. Exemple: bacteriile saprofite din mediul extern, Escherichia coli nepatogen din intestin.

bacterii care folosesc atat azotul cat si carbonul organic. In aceasta categorie intra:

bacterii saprofite din mediul extern, intestin, de pe suprafata mucoaselor;

bacterii mai pretentioase (frecvent patogene) care necesita factori de crestere, acid nicotinic, substante complexe din lichide organice (ascita, sange). Exemple: Brucella, Haemophilus, Salmonella, Shigella.

bacterii foarte pretentioase: nu cultiva pe medii artificiale (exemplu: Treponema pallidum) sau prezinta parazitism intracelular strict (Rickettsii, Mycoplasme, Chlamydii).

Dupa necesarul de oxigen bacteriile se clasifica in:

bacterii strict aerobe: sunt bacterii care se dezvolta numai in prezenta O₂ atmosferic, folosind exclusiv respiratia aeroba (O₂ atmosferic este folosit ca acceptor final de H₂). Exemple de astfel de bacterii: Pseudomonas aeruginosa, Corynebacterium diphteriae, Mycobacterium tuberculosis, etc.

bacterii strict anaerobe: bacterii care nu se dezvolta decat in absenta O₂, prezenta lui fiind foarte toxica chiar la o presiune de 10^-5 atm. Aceste bacterii folosesc ca reactie energogenetica exclusiv fermentatia in conditii anaerobe, deci oxidatia de substrat. Ele sunt lipsite de superoxiddismutaza care transforma radicalul superoxid in H₂O₂ si catalaza, catalaza care descompune apa oxigenata. Exemple: Clostridium, Bacteroides, Fusobacterium.

bacterii facultativ anaerobe: bacterii care se dezvolta atat in prezenta O₂, cat si in absenta sa. Ele folosesc respiratia aeroba, fermentatia, chiar si respiratia anaeroba. Exemple: majoritatea speciilor de interes medical (enterobacteriile).

bacterii anaerobe aerotolerante: bacterii care folosesc numai fermentatia in prezenta aerului atmosferic, fara participarea O_2. Ele tolereaza O₂ in mediu pentru ca, fie au in echipamentul enzimatic superoxiddismutaza si catalaza, fie pentru ca enzimele exista in mediu. Exemplu: germenii din genul Steptococcus.

bacterii microaerofile: bacterii care folosesc respiratia si fermentatia, la care se adauga o concentratie mai mare de CO₂ decat cea din atmosfera. Exemple: genul Neisseria, Brucella, Campylobacter (necesita 6-l0% CO₂).