Structuri ale Bacteriilor și Funcțiile Lor - Curs de Microbiologie

Obiective Instrucționale

• Cunoașterea principalelor structuri bacteriene.

• Înțelegerea rolului structurilor bacteriene în:

  • Supraviețuire (rol biologic): asigură viabilitatea și adaptarea la mediu.

  • Virulență (rol patogenetic): determină capacitatea de a produce boală și de a eluda mecanismele de apărare ale gazdei.

  • Identificare (rol taxonomic): permite încadrarea și diferențierea bacteriilor în laboratoarele de microbiologie.

• Înțelegerea interesului medical al cunoașterii morfologiei, dispoziției spațiale și colorabilității bacteriilor pentru diagnosticul rapid și conduita terapeutică.

Comparație între Celula Procariotă și Celula Eucariotă

• Material nuclear:

  • Procariote: Nucleoplasmă (nucleoid); membrană nucleară absentă; nucleol absent.

  • Eucariote: Nucleu adevărat; înconjurat de membrană nucleară dublă; conține unul sau mai mulți nucleoli.

• Citoplasmă:

  • Procariote: Ribozomi de tip $70\text{S}$; organite celulare delimitate de membrane absente.

  • Eucariote: Ribozomi de tip $80\text{S}$; organite celulare prezente (mitocondrii, aparat Golgi, reticul endoplasmic neted și rugos, lizozomi, vacuole).

• Perete celular:

  • Procariote: Cel mai frecvent prezent, având o structură rigidă ce conține peptidoglican. Excepții: micoplasme și chlamidii.

  • Eucariote: Absent la celulele animale; prezent la plante și fungi (fără peptidoglican).

Arhitectura Generală a Celulei Bacteriene

• Structuri constante (esențiale, prezente la toate bacteriile):

  • Material nuclear (nucleoplasmă)

  • Citoplasmă

  • Membrană citoplasmatică

  • Perete celular (cu excepțiile menționate)

  • Ribozomi

• Structuri facultative (ne-esențiale pentru toate bacteriile sau prezente doar în anumite condiții/specii):

  • Constant prezente la anumite specii: Flagel(i), spor, incluziuni citoplasmatice.

  • Inconstant prezente: Capsulă / glicocalix (slime), pili comuni (fimbrii) și pili sexuali.

Materialul Genetic Bacterian

• Nucleoplasma (Cromozomul bacterian):

  • Reprezentat de o moleculă de ADN dublucatenar ($\text{ADN d.c.}$), de formă circulară.

  • Excepție: Borrelia burgdorferi, care posedă un cromozom liniar.

  • Constă dintr-un singur cromozom (stare haploidă).

  • Lipsit de membrană nucleară și nucleol; este supraînfășurat ($\text{supercoiled}$) și organizat direct în citoplasmă.

• Plasmidele:

  • Structuri genetice ne-esențiale, extracromozomiale.

  • Reprezentate de molecule mici de $\text{ADN d.c.}$ circulare.

  • Posedă capacitatea de multiplicare autonomă (independentă de replicarea cromozomului bacterian).

  • Participă la adaptare prin purtarea de gene speciale: gene de rezistență la antibiotice (factori R), gene de virulență (codificând toxine, adezine), etc.

Ribozomii Bacterieni

• Au o constantă de sedimentare de $70\text{S}$.

• Sunt alcătuiți din 2 subunități disticte:

  • Subunitatea mică: $30\text{S}$

  • Subunitatea mare: $50\text{S}$

• Compoziție chimică: Proteine și ARN ribozomal ($\text{rARN}$).

• Funcție: Sinteza proteică celulară.

• Sunt prezenți în număr extrem de mare în citoplasmă, reflectând un metabolism bacterian intens.

Incluziunile Citoplasmatice

• Reprezintă un caracter de specie (util în identificarea specifică a bacteriilor) și un caracter taxonomic primar.

• Funcționează ca rezerve de nutrienți folosite în condiții de deprivare:

  • Polimetafosfați (granule de volutină / metacromatice): specifice pentru Corynebacterium diphtheriae.

  • Polizaharide (glicogen, amidon).

  • Lipide (e.g., acid poly-$\beta$-hidroxibutiric).

Taxonomia și Morfologia Bacteriilor

• Taxonomia: cuprinde descrierea, identificarea, denumirea și aranjarea bacteriilor în grupe pe baza caracteristicilor comune.

• Principalele niveluri taxonomice:     $\text{Regn} \rightarrow \text{Încrengătura (Phylum)} \rightarrow \text{Clasă} \rightarrow \text{Ordin} \rightarrow \text{Familie} \rightarrow \text{Gen} \rightarrow \text{Specie} \rightarrow \text{Subspecie}$

• Forme și dispoziții celulare:

  • Coci (sferici):

    • Diplococi (în perechi; e.g., Neisseriae — aspect de boabă de cafea în perechi).

    • Tetrade (pachete de $4$ celule).

    • Sarcine (pachete cubice de $8$, $16$ sau $32$ de celule).

    • Streptococi (dispuși în lanțuri).

    • Stafilococi / Micrococi (grămezi neregulate în formă de ciorchine).

  • Bacili (alungiți/bastonat):

    • Cocobacili (forme intermediare alungite-rotunjite).

    • Bacili sporulați.

    • Corynebacteria (dispoziție în palisadă sau litere chinezești).

    • Mycobacteria.

    • Streptomycetes (bacterii filamentoase, ramificate, de tip mucegai).

  • Forme curbate și spiralate:

    • Vibriori (bacili curbați în formă de virgulă).

    • Spirili (spirale rigide).

    • Spirochete (spirale flexibile, subțiri).

Membrana Citoplasmică

• Membrană biologică tipică formată dintr-un dublu strat fosfolipidic (cu capete hidrofile polare orientate spre exterior și cozi hidrofobe nepolare la interior) în care sunt inserate numeroase proteine (integrale, periferice, canale proteice).

• Particularitate: Este lipsită de colesterol (cu excepția genului Mycoplasma).

• Roluri funcționale:

  • Barieră osmotică cu permeabilitate selectivă.

  • Sisteme de transport activ și pasiv pentru nutrienți și ioni.

  • Sinteză de energie (lanțul respirator și ATP-sintaza sunt localizate aici, suplinind lipsa mitocondriilor).

  • Sinteza lipidelor membranare (e.g., membrana externă la bacteriile Gram-negative).

  • Sinteza peptidoglicanului.

  • Coordonarea replicării ADN-ului și a diviziunii celulare.

  • Chemotaxie (conține receptori de suprafață pentru mediul chimic).

Peretele Bacterian și Peptidoglicanul

• Structură rigidă, specifică celulelor procariote, ce învelește protoplastul în contact intim cu membrana citoplasmică.

• Roluri principale:

  • Protejează protoplastul de agenții nocivi exteriori.

  • Prelucrează și absoarbe diferențele mari de presiune osmotică dintre interiorul și exteriorul celulei.

  • Determină și menține forma caracteristică a celulei.

• Comportamentul în colorațiile diferențiale Gram și Ziehl-Neelsen este condiționat de structura peretelui (deși peretele propriu-zis nu se colorează).

• Peptidoglicanul (PG / Mureina):

  • Structură de bază constant prezentă la bacterii (excepție: Chlamidii și Micoplasme).

  • Alcătuit din lanțuri polizaharidice paralele formate din alternativă de zaharuri aminate:

    • Acid N-acetilmuramic ($\text{NAM}$).

    • N-acetilglucozamină ($\text{NAG}$).

  • De la acidul N-acetilmuramic se desprind lanțuri peptidice scurte (tetrapeptide) formate din cel puțin $4$ aminoacizi (L-alanină, acid D-glutamic, L-lizină sau acid diaminopimelic, D-alanină).

  • Legarea lanțurilor se realizează prin punți interpeptidice (e.g., punte de pentaglicină).

• Sinteza peptidoglicanului și acțiunea antibioticelor:

  • Sinteza este controlată de enzime de pe suprafața externă a membranei citoplasmatice:

    • Transglicozilaze: leagă cele două zaharuri aminate ($\text{NAG}$ și $\text{NAM}$).

    • Transpeptidaze: catalizează formarea punților peptidice, recunoscând dipeptidul D-alanină-D-alanină.

  • Enzimele implicate se numesc Proteine de Legare a Penicilinei (PLP).

  • Penicilinele și alte antibiotice $\beta$-lactamice sunt analogi structurali ai dipeptidului D-Ala-D-Ala, fixându-se pe PLP și inhibând sinteza peptidoglicanului.

  • PG este ținta directă a lizozimului, care scindează legăturile dintre $\text{NAG}$ și $\text{NAM}$.

Tipuri Speciale de Perete Bacterian

• Peretele bacterian de tip Gram-Pozitiv:

  • Peptidoglicanul este constituentul major ($50\%$ din perete), organizat într-o rețea tridimensională, groasă și omogenă.

  • Structuri speciale:

    • Acizi teichoici (AT): legați covalent de peptidoglican.

    • Acizi lipoteichoici (AL): acizi teichoici de membrană, ancorați în membrana citoplasmică.

    • Proteine de suprafață: adezine (implicate în atașare) sau factori antifagocitari (e.g., Proteina M la Streptococcus pyogenes, proteine de legare a fibronectinei).

  • Rolul AT și AL: leagă ioni $\text{Mg}^{2+}$ și enzime; activează macrofagele (factori de colonizare); activează calea alternativă a complementului; se leagă de receptori de pe macrofage stimulând eliberarea de citokine proinflamatorii; conțin receptori pentru bacteriofagi și bacteriocine.

• Peretele bacterian de tip Gram-Negativ:

  • Peptidoglican subțire (doar $10\%$ din structura peretelui), format dintr-o rețea bidimensională, laxă și neomogenă.

  • Structuri speciale:

    • Membrana Externă (ME): strat dublu lipidic asimetric.

    • Porine: trimeri proteici ce formează pori pentru trecerea moleculelor hidrofile mici.

    • Proteine de transport specific ($\text{Fe}^{3+}$, vitamina $B_{12}$, aminoacizi, nucleozide).

    • Lipoproteine (Braunn): leagă covalent peptidoglicanul de membrana externă.

    • Lipopolizaharid (LPS / Endotoxină): ancorat în foița externă a ME, alcătuit din:

      1. Lipid A: componenta lipofilă ce exercită activitatea toxică (endotoxina).

      2. Miez polizaharidic (Core / Antigen R).

      3. Antigenul O (unități zaharidice repetate): utilizat în serotipare. Posedă sarcină electronegativă puternică și hidrofilie, asigurând stabilitatea suspensiilor bacteriene, forma de cultură Netedă (S — Smooth) și efect antifagocitar.

*   **Spațiul Periplasmic:** delimitat între membrana citoplasmică și membrana externă. Conține peptidoglicanul, lipoproteine, proteine de transport și enzime degradative (hidrolaze, $\beta$-lactamaze). Bacteriile Gram-negative stochează aceste enzime periplasmic și le eliberează la necesitate (spre deosebire de Gram-pozitive care le eliberează imediat în mediu).

• Peretele bacterian de tip Acido-Alcoolo-Rezistent (Micobacterii):

  • Specific genului Mycobacterium.

  • Structuri speciale foarte bogate în lipide:

    • Acizi micolici ($\beta$-hidroxi acizi grași ramificați): conferă rezistență crescută în mediul extern (desicare, antiseptice, dezinfectante) și la chimioterapice.

    • Arabinogalactan: similar ca funcție cu endotoxinele.

    • Lipoarabinomanani (LAM): induc formarea granulomului tuberculos.

    • Micozide (peptidoglicolipide, glicolipide): creează un înveliș protector împotriva enzimelor lizozomale din fagolizozomul macrofagelor (bacterii facultativ intracelulare).

    • Lipide de suprafață (sulfolipide, fosfolipide, factorul de cord / $cord\,factor$): cresc virulența.

  • Complexul lipoarabinoglican-fosfolipide induce reacția tisulară caracteristică în tuberculoză (granuloame, metaplazierea macrofagelor în celule gigante Langhans și celule epitelioide).

  • Implică alegerea antibioticelor cu pătrundere intracelulară și tratament de lungă durată.

Procesul de Colorație Gram și Ziehl-Neelsen

• Colorația diferențială Gram:

  • Etapa 1: Fixarea frotiului bacterian.

  • Etapa 2: Tratare cu Violet de gențiană / Cristal violet (colorant primar).

  • Etapa 3: Tratare cu Soluție Lugol (Iod — mordant).

  • Etapa 4: Decolorare cu alcool-acetonă. Peretele gros de peptidoglican al Gram-pozitivelor reține complexul dye-iod, în timp ce la Gram-negative membrana externă este dizolvată, iar peptidoglicanul subțire permite spălarea colorantului.

  • Etapa 5: Recolorare de contrast cu Safranină sau Fuxină diluată.

  • Rezultat: Bacteriile Gram-pozitive apar violete, iar cele Gram-negative apar roz/roșii.

  • Mnemonic pentru perete celular:

    • LONG (Gram-Negative): Lipopolysaccharide, Outer membrane, Negative Gram.

    • PPT (Gram-Positive): Positive, Peptidoglycan (thick), Teichoic acid.

• Colorația Ziehl-Neelsen (pentru bacterii acido-alcoolo-rezistente):

  • Bacilii acido-alcoolo-rezistenți (BAAR) rețin fuxina fenicată la cald și rezistă la decolorarea cu acid sulfuric și alcool, apărand roșii.

  • Fundalul și celelalte celule ne-acido-rezistente se colorează în albastru cu albastru de metilen.

Forme L Bacteriene

• Deficitare sau lipsite complet de peptidoglican.

• Apar sub acțiunea antibioticelor $\beta$-lactamice, a șocului osmotic sau termic.

• Sunt foarte instabile la variațiile de presiune osmotică.

• Protoplaștii: derivă din bacterii Gram-pozitive prin pierderea totală a peretelui celular (sub acțiunea lizozimului sau penicilinei în mediu izotonic). Nu pot reveni la forma de origine.

• Sferoplaștii: derivă din bacterii Gram-negative prin degradarea parțială a peptidoglicanului (păstrând părți din membrana externă). În absența agentului inductor, pot reveni la forma bacteriană inițială.

• Importanță clinică: În medulara renală (hiperosmotică), sub tratament cu $\beta$-lactamice pot persista sferoplaști/forme L, provocând recăderi ale infecției renale după întreruperea antibioterapiei.

Glicocalixul: Capsula, Slime-ul și Biofilmul

• A treia structură de înveliș exterior, constituită din polizaharide sau polipeptide (e.g., la Bacillus anthracis are structură polipeptidică de acid poly-D-glutamic).

• Forme de prezentare:

  • Capsula (glicocalix dens): structură bine organizată, ancorată strâns; nu se separă prin centrifugare, nu este penetrată de coloranți. Este vizibilă în colorație negativă (tuș de India sau nigrozină) ca un halo transparent pe fond întunecat.

  • Glicocalix lax (slime / strat mucos): difuz, neorganizat; se separă prin centrifugare; vizibil în microscopia electronică după colorare cu roșu de ruteniu.

  • Microcapsula: evidențiată doar prin reacții antigen-anticorp sau microscopie electronică.

• Particularități: Nu este caracter taxonomic primar. Nu se colorează în colorația Gram. Se colorează metacromatic (roz) cu Albastru de Metilen.

• Funcții:

  • Atașare/Aderență: la celule gazdă sau suporturi inerte (placă dentară, catetere, proteze).

  • Protecție antifagocitară: împiedică recunoașterea și fagocitarea de către neutrofile/macrofage.

  • Rezistență crescută în biofilm: protejează bacteriile împotriva antisepticelor, dezinfectantelor și antibioticelor.

  • Rol imunogen: induce formarea de anticorpi specifici anticapsulari.

• Dezvoltarea Biofilmului (5 etape):

  • Etapa 1: Atașare inițială reversibilă.

  • Etapa 2: Atașare ireversibilă.

  • Etapa 3 & 4: Apariția, maturarea biofilmului și producția matricei polimerice extracelulare.

  • Etapa 5: Detașarea și dispersia bacteriilor.

  • Exemple: Biofilm de Pseudomonas aeruginosa, biofilm de Staphylococcus aureus pe catetere venoase centrale, placa dentară la limita gingivală.

Flagelii și Mobilitatea Bacteriană

• Organite filamentoase lungi, flexuoase, de natură proteică (flagelină).

• La enterobacterii constituie Antigenul H (folosit în serotipare).

• Prezența, numărul și dispoziția lor reprezintă caractere taxonomice primare.

• Tipuri de dispoziție flagelară:

  • Monotrich: un singur flagel polar (e.g., Vibrio cholerae).

  • Lofotrich: un mănunchi de flageli la un singur pol (e.g., Bartonella bacilliformis).

  • Amfitrich: flageli sau mănunchiuri la ambii poli (e.g., Spirillum serpens).

  • Peritrich: flageli distribuiți uniform pe întreaga suprafață (e.g., Escherichia coli, Salmonella enteritidis).

• Mecanism de deplasare și Chemotaxie:

  • Mășcarea este generată de motoare flagelare ancorate în perete și membrană.

  • Cursa lină (Run): rotire într-un sens ce mănunchiază flagelii și deplasează bacteria înainte.

  • Rostogolire (Tumble): schimbarea sensului de rotație desface mănunchiul și reorientează bacteria.

  • Chemotaxie pozitivă/negativă: deplasare orientată spre atractanți chimici sau departe de repellente.

• Evidențierea mobilității: Colorații speciale (colorație argentică / $silver\,stain$ ce mărește grosimea flagelilor), microscopie pe preparat nativ umed, sau cultivare în geloză moale (înțepătură în tub, unde bacteriile mobile tulbură mediul).

Pilii Bacterieni

• Prezenți la bacterii Gram-negative; organite rigide, mai scurte și subțiri decât flagelii (vizibili doar în microscopie electronică).

• Pilii comuni (Fimbrii):

  • Structuri proteice filamentoase formate din subunități de pilină.

  • Ancorați în membrana externă, așezați radiar.

  • Participă la atașarea specifică de receptorii celulelor gazdă (adezine).

• Pilii sexuali:

  • Mediază transferul de material genetic (plasmide) prin procesul de conjugare.

• Pilii NU sunt caractere taxonomice primare (fiind structuri facultative).

Sporul Bacterian

• Produs de genurile Bacillus și Clostridium.

• Reprezintă o formă de rezistență la condiții extreme de mediu (caldură, uscăciune, agenți chimici, radiații).

• Incursează alternanța: Formă vegetativă (metabolic activă) $\leftrightarrow$ Formă sporulată (metabolic inactivă, dormandă).

• Fiecare celulă vegetativă produce un singur spor (proces de conservare, nu de multiplicare).

• Anatomia sporului (din interior spre exterior):

  • Core (Miezul): conține ADN, ribozomi, enzime glicolitice și dipicolinat de calciu (responsabil de termorezistență).

  • Membrană citoplasmică.

  • Spore Wall (Perete sporal): peptidoglican normal.

  • Cortex: strat gros de peptidoglican puțin reticulat.

  • Keratin Spore Coat (Tunica sporală): strat proteic bogat în legături disulfidice.

  • Exosporium (la unele specii).

• Proprietăți și importanță:

  • Rezistența la căldură impune parametrii de sterilizare (autoclavare la $121^\circ\text{C}$) și servește drept control biologic al sterilizării.

  • Sporul este incolor în colorația Gram.

  • Caractere taxonomice primare: prezența, forma (sferică/ovală), poziția (centrală, subterminală, terminală) și mărimea (dacă deformează sau nu celula mamă).

Concluzii Sumative

• Celula bacteriană este o celulă procariotă alcatuită din structuri constante (nucleoplasmă, citoplasmă, membrană citoplasmică, perete celular, ribozomi) și facultative (plasmide, incluziuni, capsulă, flageli, pili, spor).

• Materialul genetic include cromozomul unic și opțional plasmidele.

• Ribozomii ($70\text{S}$) reprezintă singurele organite citoplasmatice.

• Arhitectura peretelui celular condiționează colorabilitatea în reacția Gram, oferind informații rapide pentru diagnosticul etiologic și inițierea antibioterapiei.

• Capsula oferă aderență, protecție antifagocitară și capacitate imunogenă.

• Sporul bacterian este o structură unică de rezistență, având o valoare taxonomică primară crucială.