bakterilerin üreme özellikleri

BAKTERİLERİN ÜREME ÖZELLİKLERİ VE METABOLİZMASI

Hedefler

  • Bakteri metabolizmasını tanımlama
  • Bakterilerin üremesi için gereken enerji ve karbon kaynaklarını sıralama
  • Bakterilerin üremesi için gerekli olan fiziksel şartları sıralama
  • Mikroorganizmaların üreme hızları ve dönemlerini tanımlama
  • Besiyerlerini tanımlama
  • Tek koloni düşürme, ekim, pasaj ve koloniyi tanımlama
  • Mikrobiyolojik örneklerin ekim tekniklerini tanımlama
  • İçerik ve kullanım amaçlarına göre besiyerlerini sınıflandırma

Tanımlar

  • Metabolizma: Bir canlı içerisinde meydana gelen kimyasal reaksiyonların tümüne denir.

    • Canlılarda meydana gelen anabolizma ve katabolizma olaylarının tümüdür.
    • Mikroorganizmalarda 2.000 kadar farklı kimyasal reaksiyon vardır.

  • Katabolizma: Alınan besin maddelerinin yıkılıp enerji açığa çıkması olayına denir.

    • Böylece mikroorganizma için gerekli enerji temin edilmiş olur.

  • Anabolizma: Mikroorganizmanın yaşamını sürdürebilmesi ve çoğalması için gerekli sentez işlemlerinin tümüdür.

    • Sentez işlemi için gerekli enerji genellikle adenozin trifosfat (ATP) tarafından karşılanır.

METABOLİZMA

  • Biyosentez için Besin Maddeleri:

  • Atık Ürünler: Fermentasyon ürünleri; asitler, alkol, CO2, vb.

  • Enerji:

    • Biyosentez için enerjidir.
    • Hareket, besinlerin taşınması gibi işlevler için de enerji kullanılmaktadır.

  • Makromoleküller ve Diğer Hücre Bileşenleri

Genel Metabolik Reaksiyonlar:
  • Katabolizma ve Anabolizmanın işleyişi, hücrenin genel biyolojik faaliyetlerini destekler.

Metabolizma Türleri

  • Holofitik Canlılar:

    • Bulundukları ortamdaki katı besin maddelerini hücre dışında küçük parçalara ayırıp sindirdikten sonra kendi içine alıp onlardan yararlanan canlılardır.
    • Örnek: Bakteri, Mantar

  • Organotrof:

    • Enerjilerini organik bileşiklerden (şekerler, aminoasitler) alırlar.
    • Bakterilerin çoğu organotroftur.

  • Litotrof:

    • Enerjilerini azot-demir-sülfür içeren inorganik maddelerden sağlarlar.
    • Bazı bakteriler litotroftur.

  • Ototrof:

    • Organik maddelere gereksinim göstermeksizin, besin maddesi olarak basit inorganik maddeleri (NaCl, K2HPO4 vb.) veya atmosferdeki karbondioksidi kullanırlar.

  • Kemoototrof:

    • Gerekli enerjiyi inorganik maddelerin oksidasyonundan elde ederler.

  • Heterotrof:

    • Ototroflardan farklı olarak beslenebilmek için en az bir tane organik madde bileşiğine gereksinim duyarlar.

    • Fotoheterotrof: Enerjilerini gün ışığından alırlar.

    • Kemoheterotrof: Enerjilerini kimyasal reaksiyonlardan elde ederler.

    • Bakterilerin çoğu şeker, aminoasit gibi organik maddeleri parçalayarak enerji elde ederler.

  • Saprofit Mikroorganizmalar:

    • Kemoorganotrof mikropların bir kısmı başka canlıların metabolizma artıkları veya ölü kısımlarında bulunan organik maddelerle beslenirler.
    • Bu ilişkiden iki tarafta zarar görmez.

  • Parazit:

    • Üzerinde yaşadıkları organizmaya zarar verip hastalık oluşturan mikroorganizmalardır.
    • Obligate (zorunlu) parazit: Cansız besleyici ortamlarlarda yaşayamazlar.
    • Fakültatif (değişebilen) parazit: Cansız besleyici ortamlarda yaşayabilirler.

Bakteri Metabolizması

  • Bakteriler aktif canlılardır.
  • Uygun bir çevresel ortamda sürekli olarak metabolizmaları devam eder ve sayıları sürekli artar.
    • Bakterilerin hızlı çoğalması onların laboratuvarlarda invitro şartlarda üretilmesini ve hastalıkların teşhisine imkan verir.
  • Bakterilerin üreyebilmeleri için uygun fiziksel, kimyasal koşulların var olması ve besin maddelerinin bulunması gerekmektedir.
  • Bakteriler aminoasitleri, karbohidratları ve lipitleri elde etmek veya sentezlemek zorundadırlar.
Minimal İhtiyaçlar

  • Karbon kaynağı

  • Azot kaynağı

  • Enerji kaynağı

  • Su

  • Değişik iyonlar

  • Patojen bakteriler enerjilerini şekerleri, lipitleri, karbohidratları metabolize ederek elde ederler.

  • Bazı bakteriler kolay ürerlerken bazılarının üreme gereksinimleri çok fazladır.

  • Hücre içinde meydana gelen kimyasal olayların tamamı metabolizmayı oluşturur.

Metabolizma Süreci
  • Bakterilerde metabolizma dış enzimatik sindirim ile başlar.
  • Dış ortama salınan enzimler ile dış ortamdaki besin maddeleri parçalanarak hücre zarından geçebilecek küçük maddelere ayrıştırılır ve içeri alınırlar.
  • Endoenzimler: Hücre içi metabolizmayı yürütürler.
  • Bu süreç sonucunda hücrede yapı taşlarının sentezi, solunum, üreme, hareket ve diğer yaşamsal işlevler için gerekli enerji sağlanır.
Elektron Alışverişi
  • Tüm metabolik reaksiyonlarda elektron alışverişi olur.
  • Elektron alışverişi oksidasyon ve redüksiyon olaylarını oluşturur.
  • Kimyasal reaksiyonda:
    • Oksitlenen madde elektron kaybeder,
    • Redüklenen madde elektron kazanır.
  • Elektron aktarımı son elektron alıcısına kadar sürer.
  • Solunum oksidasyon ve redüksiyon olaylarının ard arda sıralanması temeline dayanır.

Solunum Tipleri

Özel Solunum Enzimleri

  • Aerobik Solunum:

    • Son elektron alıcısı serbest oksijendir.
    • Son ürün su veya hidrojen peroksittir.
    • Aerob bakterilerde bulunan enzimler, bunlara serbest oksijeni kullanma olanağı sağlar.

  • Anaerobik Solunum:

    • Oksijen bu bakterilere toksik etki yapar.
    • Anaerobik solunum sonucunda son elektron alıcısı oksijen dışındaki maddelerdir.

  • Fakültatif Anaerobik Solunum:

    • Hem oksijenli hem oksijensiz ortamda yaşayıp çoğalabilen mikroorganizmalar.

Bakterilerin Üremesi için Gerekli Olan Maddeler

Su
  • Bakteri yapısının % 70-90’ı sudur.
  • Birçok mikroorganizma suyun az olduğu yerlerde üreyemez, canlı kalamazlar.
  • Hücre dışında bulunan su, suda erimiş maddelerin hücreye taşınmasında rol oynar.
  • Suyun yeterli olmaması durumunda ortamdaki besin maddelerinin, enzim ve metabolitlerin hücredeki alışverişi güçleşir.
  • Su olmayan kuru ortamda birçok bakteri ölmeden metabolik olarak yıllarca inaktif olarak kalabilir.
  • Uygun nem sağlanırsa bu bakteriler tekrar canlanabilirler.
Zorunlu (Esansiyel) Elementler
  • Tüm mikroorganizmalar karbon dışında hidrojen, oksijen, azot, fosfor ve kükürte gereksinim duyarlar.
    • Bu maddeler karbohidrat, lipit, protein ve nükleik asitlerin yapısına girerler.
    • Fosfor ATP ve nükleik asitler için gereklidir; Sülfür proteinler için; Azot, nükleik asit ve proteinler için gereklidir.
  • Bu maddeler genellikle bakterinin üremesini sağlayan besiyerinde (kültür vasatı) bulunur.
Mineraller
  • Kalsiyum, demir, potasyum ve manganez gibi mineraller bakterilerdeki çeşitli yapı maddelerinin ve enzimlerin yapılarına girerler.
  • Tüm bakteriler bunların dışında bazı elementlere de eser düzeyde ihtiyaç duyarlar (ör. kobalt, çinko).
  • Bu eser elementler kültür ortamı için kullanılan suda çoğunlukla erimiş olarak bulunurlar.
Vitaminler ve Aminoasitler
  • Bazı bakteriler bu maddeleri hücre içinde sentezleyemezler.
  • Bu nedenle başta anaerob bakteriler olmak üzere çoğu mikroorganizmayı üretebilmek için besiyerlerinin içine bu maddelerin konması gerekir.

Bakterilerin Üremesi için Fiziksel Gereksinimler

Oksijen

1) Aerob Bakteriler:

  • Kesin olarak serbest oksijen gereksinimi olan ve bunun yokluğunda beslenme ve üremeleri duran bakteriler.
  • Örnekler: Mycobacterium tuberculosis, Corynebacterium diphtheria

2) Anaerob Bakteriler:

  • Oksijensiz ortamda solunum sağlarlar. Oksijen bulunması halinde beslenme ve üremeleri durur.
  • Örnek: Clostridium tetani.

3) Fakültatif Anaerob Bakteriler:

  • Hem oksijenli ortamda hem de oksijensiz ortamda solunum yapabilecek enzimlere sahip bakterilerdir.
  • Örnekler: Salmonella spp., Streptococcusspp., E. coli

4) Mikroaerofilik Bakteriler:

  • Sınırlı oksijen konsantrasyonunda üreyen bakterilerdir.
  • Örnekler: Helicobacter pylori, Campylobacter spp.
pH
  • Mikroorganizmaların çoğu nötral pH (6 – 8 aralığında) üremeye uygun ortamlar oluşturmuştur.
  • Bazı bakteriler asit ortamlarda, bazıları ise bazik ortamlarda daha iyi ürerler.
  • pH değişikliklerine duyarlı olan bakteriler için besiyerlerine tampon maddeler eklenmelidir.
  • Midedeki düşük pH derecesinde yaşamayı başaran bakteriler barsaklarda hastalıklara yol açabilirler.
Karbondioksit
  • Çoğu mikroorganizma havada bulunan oksijen ile yetinir, ancak bazıları için karbondioksit önemli bir besin kaynağıdır.
  • Bu bakteriler bulundukları atmosferde % 3-10 oranında karbondioksit bulunursa daha iyi gelişirler.
  • Bu bakterilere kapnofilik bakteriler denir ve laboratuvar ortamında karbondioksitli etüvler içinde yetiştirilirler.
Isı
  • Bakteriler, içinde yaşadıkları koşullara göre bir minimum, optimum ve maksimum ısı derecesine ihtiyaç duyarlar.
  • Mikroorganizmalardaki bazı enzimler belirli ısı derecelerinde en iyi çalışır ve bu ısı aralığının dışındaki derecelerde etkileri azalır veya durur.
  • Üredikleri sıcaklığa göre bakteriler şu gruplara ayrılır: 1) Termofil Bakteriler:
    • Optimal üreme sıcaklıkları 45°C’nin üzerindedir.
      2) Mezofil Bakteriler:
    • İnsanlarda hastalık yapan patojenler bu gruba girer (+20°C ile +40°C arasında).
      3) Psikrofil Bakteriler:
    • Düşük sıcaklıklarda yaşar. En iyi 20ºC’nin altında ürerler, bazıları 0ºC’de de üreyebilir.
Osmotik Basınç
  • Su molekülleri hücre içine osmoz ile girip çıkabilirler.
  • Çevredeki ortam hücre içine göre daha seyreltik olursa su hücre içine girerek hücre içindeki osmotik basıncı artırır.
  • Mikroorganizmaların çoğu optimal osmotik basınçla ortamlarda üremeyi tercih ederler.
  • Hücre içindeki osmotik basıncın dengede kalması, mikroorganizmaların yaşamlarını devam ettirebilmeleri için önemlidir.
  • Bakteri hücreleri, peptidoglikan tabakanın yardımıyla osmotik şok sonucu patlamaktan korunurlar.
  • Botulismusa yol açan Clostridium botulinum, yüksek şeker konsantrasyonunda ölmeden canlılığını sürdürebilir, bu da zehirlenmelere yol açabilir.

Mikroorganizmaların Enzimleri

  • Enzimler:

    • Protein yapısında olan maddelerdir ve biyokimyasal reaksiyonları katalize eder.
    • Küçük miktarlarda bulunur ve kimyasal tepkime sonrasında harcanmaz.

  • Enzimler genellikle etkiledikleri maddenin sonuna “ase” (az) eklenerek adlandırılır.

    • Örneğin:
    • Hidrolaz: Hidroliz yapan
    • Laktaz: Laktozu parçalayan
    • Üreaz: Üreyi parçalayan

  • Bakteri Enzimleri:

    • Etkinlik gösterdikleri yere göre iki grupta incelenebilir:
    • Endoenzimler: Hücre içinde
    • Ekzoenzimler: Hücre dışında görev yaparlar.

  • Ekzoenzimler dış ortamdaki besinleri parçalayarak hücre içine alınacak hale getirir.

  • Endoenzimler ise bakteri hücresinin yapı taşlarının oluşturulmasında ve hücre için gerekli enerjinin sağlanmasında görev alırlar.

  • Enzimler, bir molekül enzim bir dakika içinde bir milyon substrat molekülünü etkileyebilir.

Bakterilerin Üremesi

  • Bakteriler belirli bir büyüklüğe ulaşınca ikiye bölünür.
    • Bu işleme “binary fission” (ikili bölünme) denir.
  • Bir bakteriden iki yeni bakteri oluşumuna kadar geçen süreye “ikilenme zamanı” (jenerasyon zamanı) denir.
  • Oluşan her yeni bakteriden iki yeni bakteri daha oluşur.
  • Çoğalma sırasında oluşan her yeni bakteri topluluğu bir öncekinin iki katı kadar bakteri içerir.
  • Başlangıçta bakteri topluluğu yavaşça çoğalır, ancak bir süre sonra çoğalma patlayıcı bir tarzda olur.
  • Klinikte sıkça görülen bakteriyel patojenlerin ikilenme zamanı genellikle kısadır, bu nedenle bu bakterilerin laboratuvar tanıları zamanında konabilmektedir.
    • Örnek: E.coli 40 dk, M.tuberculosis 15-24 saat.
Üreme Dönemleri
  • Bakteriler katı besiyerlerinde koloni oluştururlar.
  • Sıvı besiyerlerinde koloni görülmez; bakterilerin üremesi genellikle sıvının bulanıklaşması ile anlaşılır.
Üreme Hızları

  • Uygun besiyerine ekilen bir mikroorganizmanın belli bir süre içindeki üreme durumu başlıca 4 evre gösterir:
    1) Lag Fazı (Latent Dönem):

    • Bakteriler yeni bir ortama girince önce o ortama adapte olurlar.
    • Metabolik olarak aktif olan ve bölünmeye hazırlanan bakterilerde yeni enzim sentezi oluşur.
    • Lag fazında sıvı kültür ortamındaki bakteri sayısında bir artış olmaz

    2) Logaritmik Faz:

    • Kültürdeki tüm bakterilerin maksimum bir hızla ikiye bölündüğü fazdır.
    • Bu evrede bakterilerdeki metabolik aktivite çok yoğundur.
    • Bu dönemde bakteri cinsinin hacimce en küçük olduğu zamandır.
    • Bu evre, bakterilerin antibiyotiklere karşı en hassas oldukları dönemdir.

    3) Durağan Faz:

    • Durağan fazda bakteri topluluğunun sayısında bir artış olmaz.
    • Bu evrede ikiye bölünen ve ölen bakteri sayısı birbirine eşittir, ortamdaki bakterilerin sayısı değişmez.
    • Bakterilerdeki metabolik aktivite azalmıştır.

    4) Ölüm Fazı:

    • Kültür ortamında gelişen olumsuz koşullar sonucunda yaşlanan bakteri hücreleri ölürler.
    • Bu bakteriler yeni bir kültür ortamına aktarılırsa, yeniden çoğalabilirler.

Besiyerleri

  • Besiyeri Tanımı:
    • Mikroorganizmaların laboratuvar şartlarında üretilmeleri amacıyla hazırlanan, gelişmeleri ve üremeleri için uygun, gerekli besin maddelerini içeren cansız ortamlara denir.
  • Bakterilerin büyük çoğunluğu ve mantarlar bu ortamlarda üretilebilmektedir.
  • Steril olarak hazırlanmış olan besiyerlerinin dehidrate olmamaları ve denatüre olarak bozulmamaları için buzdolabında saklanmalıdır.
  • Kullanılan yüzlerce farklı besiyeri mevcuttur, ancak klinik örneklerden bakterileri izole etmek için birçok besiyerine ekim yapmak pratikte mümkün değildir.
Ekim
  • Klinik örnekteki mikroorganizmaları üretmek veya örnekte mikroorganizma bulunup bulunmadığını araştırmak amacıyla, hastadan alınan materyalin özel aletler kullanılarak uygun besiyerlerine aktarılması işlemidir.
  • Pasaj:
    • Besiyerinde üremiş bir mikroorganizmayı daha fazla çoğaltmak, saf kültür halinde elde etmek, üreme ve biyokimyasal özellikleri ile antibiyotiklere duyarlılık durumlarını incelemek amacıyla bir besiyerinde üremiş olan mikroorganizmanın başka besiyerlerine aktarılması işlemidir.
Tek Koloni Düşürme Yöntemi
  • Ekim işleminde paslanmaz metalden bir sap ve telden oluşan özeler kullanılır.
  • Kullanım amacına göre telin ucu iğne şeklinde (iğne öze) veya halka şeklinde (halka öze) olabilir.
  • Çabuk ısınması ve soğuması nedeniyle alevde kolayca sterilize edilebilen, platin özeler tercih edilir.
  • Ayrıca plastikten yapılan tek kullanımlık özeler de mevcuttur.
Besiyerine Ekim Prosedürü
  • 1) Örneklerin alınması:
    • Sıvı, visköz veya katı materyaller eküvyon yardımıyla alınabilir.
  • 2) Ekim:
    • Örnek sıvı besiyerine ekilecekse, eküvyon besiyerine daldırılır, materyalin besiyeri içerisine yeteri kadar geçmesi için tüpün kenarına bastırılır ve çalkalanır.
    • Katı besiyerine ekilecekse eküvyon, besiyerinin belirli bir bölgesine döndürülerek sürülür ve öze yardımıyla tek koloni düşürülür.
  • 3) İnfüzyon işlemi:
    • İlk ekim bölgelerinde sterilizasyondan sonra işlemler tekrar edilir, bu şekilde bağımsız koloniler elde edilir.
Koloni Görünümü ve Morfolojisi
  • Bakteri kolonileri, tek bir mikroorganizmanın katı besiyerinde üreyerek çoğalması sonucunda meydana gelen oluşumlardır.
  • Koloni, mikroskop altında incelenebilir.
  • Koloni morfolojisi; şekli, büyüklüğü, hemoliz özellikleri dahil olmak üzere, bakterilerin tanımlanmasında önemli ipuçları sunar.
Hemolizler
  • Bazı bakteriler eritrositleri parçalayan hemolizin adı verilen enzimler oluştururlar.
  • Üç tür hemoliz vardır:
    • Alfa (α) Hemoliz: Tam olarak parçalanmamış eritrositler.
    • Koloninin etrafında yeşilimsi sarı renkli halka.
    • Beta (β) Hemoliz: Tam parçalanma.
    • Koloninin etrafında tamamen şeffaf halka.
    • Gamma (γ) Hemoliz: Hemoliz yok.

İdentifikasyon

  • İzole edilen bir bakteri optimal üreme şartları, koloni morfolojisi, boyanma ve mikroskopik özellikler gibi kriterlerle isimlendirilir.
  • Bakterinin enzim sistemleri biyokimyasal testler ile incelenir ve indikatörler ortam şartlarındaki değişikliklere bağlı olarak renk değiştirirler.
  • Örneğin, Metil kırmızısı testi asidik ortamda kırmızıya dönüşür.

Örnek Biyokimyasal Testler

  • Metil red testi:
    • MR (+): E. coli, MR (-): Klebsiella
  • Voges Proskauer testi:
    • VP (+): Klebsiella, VP (-): E. coli