METABOLISMUL BACTERIAN

METABOLISMUL BACTERIAN

Metabolismul bacterian cuprinde totalitatea reactiilor biochimice care au loc in celula bacteriana, precum si cele care sunt determinate de microorganism in mediul inconjurator. Ele au ca scop final cresterea si multiplicarea bacteriei si se impart in:

reactii catabolice, prin care se fragmenteaza substratul nutritiv in unitati componente cu eliberare de energie,

reactii metabolice intermediare, prin care energia rezultata din primele reactii este inmagazinata in compusi macroergici si

reactiile anabolice, prin care celula bacteriana isi sintetizeza substantele propri, cu consum energetic.

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

Bacteriile heterotrofe catabolizeaza substante organice din mediul inconjurator printr-o succesiune de reactii enzimatice, care parcurg in principiu 4 faze:

. descompunerea extracelulara a substantelor organice in unitati mai mici sub actiunea unor exoenzime. La bacteriile care au ca habitat omul, macromoleculele din mediul ambiant sunt reprezentate de proteine, acizi nucleici, colagen, mucopolizaharide, lipide etc. Pentru scindarea acestor substante bacteriile invazive secreta exoenzime hidrolitice, care pot fi in acelasi timp si factori de patogenitate.

. absorbtia substantelor din mediul extern se face prin 3 mecanisme:

pasiv in functie de diferenta de concentratie a unei substante in interiorul si exteriorul celulei ca, de exemplu, in cazul glicerolului;

activ prin fosforilarea, cu consum energetic, a substantei ce urmeaza a fi absorbita ca, de pilda, glucoza care se absoarbe numai sub forma de glucozo-6-fosfat;

activ cu consum energetic prin legarea substantelor de proteinele de transport numite permeaze. Printr-un astfel de mecanism se absorb substantele pe care celula bacteriana le depoziteaza in concentratii foarte mari fata de concentratia din mediu. Astfel daca celula bacteriana este lipsita de 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 o merita transportul transmembranar de fier, necesar bacteriilor in multiplicare. In tesuturile organismului fierul nu se gaseste in stare libera ci legat de proteine, cum sunt transferina si siderofilina. Bacteriile au dezvoltat mecanisme ingenioase de absorbtie a fierului prin secretia sideroforilor, substante chelatoare de fier care scot fierul din combinatiile sale facandu-l absorbabil.

. pregatirea substantelor pentru oxidare prin reactii de decarboxilare, dezaminare, fosforilare etc. si

. oxidarea substantelor cu eliberare de energie sau respiratia bacteriana. Oxidarea se defineste ca o pierdere de electroni sau de ioni de hidrogen. Substanta care se va oxida este donorul, iar cea care se reduce, acceptorul de hidrogen. Deci, in urma oxidarii va rezulta o substanta oxidata, o substanta redusa si o anumita cantitate de energie libera. Substanta energogenetica de baza este la multe bacterii glucoza, monozaharid ce poate fi metabolizat pe mai multe cai in functie de performantele oxidative ale bacteriilor.

La bacterii deosebim in functie de acceptorul final de hidrogen, 3 tipuri de oxidatie: respiratia, in care acceptorul final de hidrogen este oxigenul atmosferic, fermentatia, in care acceptorul final de hidrogen este o substanta organica, si respiratia anaeroba, in care acceptorul final de hidrogen este oxigenul prezent intr-o sare anorganica (nitrat sau sulfat) care se va reduce. Subliniem ca termenul de respiratie anaeroba pe care il folosim, noi bacteriologii, pentru a desemna bacteriile strict anaerobe se refera de fapt la fermentatie in absenta oxigenului.

Respiratia este legata de sistemul membranar al bacteriilor (membrana citoplasmatica, mezozomi). Cantitatea de energie eliberata prin respiratie 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 (citocromi, flavoproteine, ubichinone) pana la acceptorul final de hidrogen (oxigenul atmosferic) si fosforilarea oxidativa. Astfel, la degradarea completa a unei molecule de glucoza bacteriile obtin 38 de molecule de ATP. Exista si posibilitatea degradarii incomplete datorita lipsei unor enzime oxidative, cantitatea de energie fiind mai mica.

Fermentatia foloseste compusi organici ca donori si acceptori de electroni si se produce pe urmatoarele cai metabolice:

. glicoliza pe calea Emden Meyerhof care transforma o molecula de glucoza in 2 molecule de acid piruvic, energia rezultata fiind inmagazinata in 2 molecule de ATP,

. fermentatia secundara a piruvatului care poate fi lactica, alcoolica, propionica, butirica, mixta (lactica, formica) in functie de produsii de metabolism rezultati,

. cai alternative de metabolizare a glucozei cum sunt suntul fosfatilor si calea Entner-Doudoroff, aceasta din urma specifica genului Pseudomonas.

Din punct de vedere practic, bacteriile se impart, dupa necesarul de oxigen, in:

. bacterii strict aerobe, care se dezvolta numai in prezenta oxigenului atmosferic, folosind exclusiv respiratia aeroba si deci oxigenul ca acceptor final de hidrogen. Astfel de bacterii sunt, de exemplu, Pseudomonas aeruginosa, Corynebacterium diphteriae, Mycobacterium tuberculosis etc.

. bacterii strict anaerobe, care nu se dezvolta decat in absenta oxigenului, prezenta lui fiind foarte toxica culturii chiar la o presiune de numai 10-5 atm. Aceste bacterii folosesc ca reactie energogenetica exclusiv fermentatia, in conditii anaerobe, deci oxidatia de substrat. Daca fermentatia se produce in prezenta oxigenului, se formeaza radicali de superoxid (O2-) foarte toxici. Bacteriile strict anaerobe, spre deosebire de cele aerobe, sunt lipsite de superoxiddismutaza care transforma radicalul superoxid in apa oxigenata si catalaza care descompune apa oxigenata. Exemple de bacterii strict anaerobe sunt cele din genul Clostridium, Bacteroides, Prevotella, Fusobacterium etc.

. bacterii facultativ anaerobe, care se pot dezvolta atat in prezenta cat si in absenta oxigenului atmosferic. Ele utilizeaza ca reactii energogenetice respiratia aeroba, fermentatia iar unele chiar si respiratia anaeroba. Majoritatea speciilor de interes medical sunt facultativ anaerobe (de pilda, enterobacteriile).

. bacterii anaerobe aerotolerante folosesc numai fermentatia in prezenta aerului atmosferic, fara participarea oxigenului la reactiile energogenetice. Ele tolereaza oxigenul in mediu fie pentru ca au in echipamentul enzimatic superoxiddismutaza si catalaza, fie ca enzimele exista in mediul de cultura. Astfel, bacteriile din genul Streptococcus sunt lipsite de catalaza, dar pot fi cultivate in conditii de aerobioza pe medii cu sange, care suplineste catalaza.

. bacterii microaerofile folosesc respiratia si fermentatia, dar necesita o concentratie mai mare de bioxid de carbon decat cea din atmosfera pentru reactii de carboxilare. Astfel, unele specii, ca cele din genurile Neisseria, Brucella, Campylobacter, necesita concentratii de bioxid de carbon de 6-10%.

Reactiile energogenetice ale bacteriilor sunt in principiu aceleasi ca si la celulele eucariote, si anume: glicoliza pe calea Embden-Mayerhoff (in conditii de aerobioza sau anaerobioza), calea pentozofosfatilor, (in care se produce NADPH2 important donor de ioni de H pentru reactiile anabolice), beta-oxidatia acizilor grasi, ciclul acizilor tricarboxilici, dezaminarea oxidativa si transaminarea aminoacizilor, oxidarea de substrat, fosforilarea oxidativa.

Liniile metabolice folosite de diferitele specii bacteriene variaza foarte mult, in functie de substratul care este prezent in mediul in care bacteria se inmulteste si de dotarea genetica a bacteriei. Astfel, specia Bacteroides fastidiosus poate cataboliza doar un singur substrat - acidul uric, sau produsii de degradare ai acestuia pe cand Pseudomonas multivorans poate folosi peste 100 de substraturi drept sursa de carbon.

Cunoasterea pretentiilor nutritive ale bacteriilor este esentiala pentru prepararea unor medii corespunzatoare cultivarii lor, iar cunoasterea performantelor metabolice ale microorganismelor este importanta prin faptul ca, alaturi de morfologie, constituie criteriile de baza in identificarea lor.

2. Reactii intermediare

Energia rezultata in urma oxidarii va fi transformata in energie chimica, fie sub forma unor tioesteri, ca de exemplu Acetyl~SCoA, fie sub forma de ATP. Energia astfel stocata va fi eliberata la nevoie pentru amorsarea unor reactii catabolice sau pentru sinteza unor molecule cu rol structural sau functional. Unii din produsii intermediari rezultati pe parcursul reactiilor de oxidare pot fi utilizati de bacterie la sinteza unor substante proprii.

3 Reactii anabolice

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

Din punct de vedere al biosintezelor, bacteriile au posiblitati practic nelimitate. Este suficient sa ne gandim la complexitatea structurilor membranare ale bacteriilor si la structura peretelui celular, componente pe care celula bacteriana si le sintetizeaza, uneori, numai dintr-un singur compus organic prezent in mediu.

Posibilitatea reactiilor de biosinteza difera de la specie la specie. Astfel, unele bacterii sunt capabile sa sintetizeze toti aminoacizii, nucleotidele, monozaharidele si coenzimele din substante simple, rezultate in cursul reactiilor catabolice si intermediare ale metabolismului. Alte bacterii insa sunt lipsite de unele linii anabolice, fiind dependente de aportul din exterior al substantelor ce se sintetizeaza pe aceste cai. Bacteriile de interes medical se situeaza intre cele doua extreme.

Performantele biosintetice ale microorganismelor sunt exploatate in diferitele ramuri ale industriei, in care obtinerea pe calea sintezei chimice a unor produsi ar fi imposibila sau nerentabila. Astfel, industria farmaceutica obtine antibioticele, unii aminoacizi si vitamine prin activitatea dirijata a microorganismelor, industria alimentara branzeturile si bauturile alcoolice etc. Unele bacterii sunt capabile sa metabolizeze hidrocarburi alifatice, ele fiind speranta decontaminarii apelor poluate cu titei.

Reglarea metabolismului are ca scop adaptarea economica a reactiilor si a intensitatii lor la substratul nutritiv existent in mediul in care traieste bacteria, astfel incat ele sa asigure cresterea si inmultirea acesteia. Reglarea se efectueaza prin modularea activitatii enzimelor bacteriene, a caror structura alosterica favorizeaza inactivarea lor de catre produsul final a carui formare au catalizat-o.