متابولیسم باکتری ها

رشد و نمو باکتری ها

رشد و نمو باکتری شامل افزایش تمامی مواد شیمیایی تشکیل دهنده و نیز تمایز آن است. رشد و نمو باکتری از دو راه حاصل می شود: ۱٫ بزرگ شدن اندازه ی سلول قبل از اینکه تقسیم شود. به این معنی که هر سلول جدید ابتدا حدود دو برابر اندازه طبیعی خود بزرگ و سپس تقسیم می شود. ۲٫ افزایش تعداد سلول ها (تکثیر) که معمولا بر اثر تقسیم دوتاییحاصل می شود. تقسیم دوتایی نتیجه ی بزرگ شدن بیش از اندازه ی سلول است.

تقسیم سلول باکتری شامل دو مرحله است: تقسیم هسته و تقسیم سلول کامل. ابتدا هسته یا کروموزوم از طریق طولی به دو قسمت کروماتینی کاملا مساوی تقسیم می شود که یکی نسخه ی دیگری است. هر یک از این دو قسمت به یک طرف سلول می رود. هم زمان با همانند سازی کروموزوم، یک فرورفتگی در غشای سلول در محل مزوزوم پدید می آید. در این محل آنزیم های اتولیزین ترشح می شوند. این آنزیم ها بر روی پپتیدوگلیکان دیواره سلولی اثر می گذارند و باعث هیدرولیز آن می شوند. سپس فرورفتگی های غشا عمیق تر می شود و از دو سمت سیتوپلاسم به هم می رسد. بدین ترتیب دو قسمت سلول از هم جدا می شوند و هر یک از سلول های حاصل در سمت مشترک خود دیواره ی جدیدی را ترشح می کنند.

زمان تقسیم سلولی

متوسط زمان مورد نیاز برای دو برابر شدن جمعیت یا توده ی زنده ی باکتری ها به نام زمان تولید مثل یا زمان مضاعف شدن شناخته می شود. هر چه زمان تولید مثل طولانی تر باشد، سرعت رشد باکتری در محیط کشت کندتر می باشد. این زمان برای انواع باکتری ها متفاوت است. مثلا برای میکوباکتریوم توبرکلوزیس حدود ۱۵ تا ۲۰ ساعت و برای اشریشیا کولی ۲۰ تا ۳۰ دقیقه است.

مراحل رشد و منحنی رشد باکتری ها

بر اساس نظریه ی کوهن اگر مانعی برای رشد باکتری ها وجود نداشته باشد، یک باکتری با اندازه متوسط (طول ۲ و عرض ۱ میکرون) قادر خواهد بود در شرایط آزاد، حجمی به ظرفیت اقیانوس ها و دریاها را در مدت ۵ روز پر کند. اما خوشبختانه رشد باکتری ها تحت تاثیر عوامل بسیاری مهار می شود.

اگر باکتری های مشخصی را در یک محیط کشت مایع بسته کشت دهیم و این محیط حاوی مواد غذایی مناسب و گاز های مورد نیاز باکتری باشد، سرعت رشد و تکثیر باکتری ها در زمان های مختلف از الگوی منحنی شکل ۲-۲ تبعیت می کند. محور طولی این منحنی زمان و محور عرضی آن لگاریتم تعداد باکتری زنده را نشان می دهد. این منحنی نشان می دهد که الگوی رشد باکتری ها در یک محیط کشت بسته شامل چهار مرحله است:

منحنی رشد باکتری ها :

1. ۱٫            مرحله ی خفته یا تاخیری (Lag phase)

این مرحله با ورود باکتری ها به محیط کشت شروع می شود. در اوایل این مرحله باکتری ها فاقد قدرت تکثیر هستند و حد نمو آنها صفر است. در ادامه این مرحله، حد نمو و سرعت تکثیر آنها کم کم افزایش می یابد تا در پایان این مرحله به حداکثر می رسد. در این مرحله عملا متابولیت ها و گاز های زاید در محیط وجود ندارد. این مرحله تقریبا دو ساعت طول می کشد.

1. ۲٫            مرحله ی فعال تکثیر یا رشد و تکثیر لگاریتمی (Log phase)

این مرحله بلافاصله از زمانی آغاز می شود که سرعت رشد به حداکثر و در عین حال به میزان ثابتی رسیده است. در این مرحله، بدون هیچ مانع آشکاری باکتری ها به طور آزاد تکثیر می یابند و زمان تولید مثل به کوتاهترین حد ممکن رسیده است. تراکم باکتری ها به طور تصاعدی افزایش می یابد و تمام آنها زنده هستند. متابولیت ها و گاز های زاید به حداقل میزان در محیط وجود دارند.

1. ۳٫            مرحله ی سکون یا تکثیر کند (Stationary phase)

در اوایل این مرحله میزان رشد به تدریج رو به نقصان می گذارد و افزایش تعداد باکتری ها دیگر به صورت تصاعدی نیست. زیرا زمان تولید مثل طولانی می شود و حد نمو رو به کاهش می رود تا به صفر برسد. عواملی که در پیدایش این مرحله دخالت دارند شامل کاهش یا فقدان مواد غذایی مورد نیاز در محیط کشت، تجمع متابولیت های سمی و همچنین کاهش میزان گاز های مورد نیاز باکتری است. در باکتری های هوازی هنگامی که غلظت باکتری از ۱۰^۷ باکتری در میلی لیتر افزایش نشان می دهد، حد نمو کاهش خواهد یافت. هنگامی که غلظت سلولی به   ۱۰^۹ ˟ ۵/۴  باکتری در میلی لیتر برسد، با وجود وارد کردن هوا به طور مصنوعی، میزان نفوذ اکسیژن برای رفع نیاز های باکتری کافی نیست و به تدریج میزان نمو کند می شود و به صفر می رسد.

1. ۴٫            مرحله ی زوال یا مرگ (Death phase)

در این مرحله میزان مرگ و میر باکتری ها افزایش می یابد و از تراکم باکتری های زنده کاسته می شود. میزان رشد در این مرحله منفی است، به نحوی که به علت کمبود شدید مواد غذایی و گاز های مورد نیاز و همچنین افزایش متابولیت ها، قسمتی از باکتری ها اتولیز می شوند و مرگ این دسته به وسیله ی تولید سلول های جدید جبران نمی شود.

ویژگی های متابولیکی باکتری ها

باکتری ها را می توان براساس ویژگی های متابولیکی شان به دو گروه کلی نیازمند به اکسیژن و فاقد نیاز به اکسیژن تقسیم کرد( شکل۲-۲).

اکسیژن

چگونگی واکنش باکتری ها با اکسیژن یک فاکتور مهم در طبقه بندی آنها است. اکسیژن یک ملکول بسیار فعال است و هنگامی که الکترون ها را می گیرد، می تواند هیدروژن پراکسید (H₂O₂) و رادیکال های سوپر اکسید (O₂i و رادیکال هیدروکسیلOH^– )تولید کند . تمام این ترکیبات  تا زمانیکه شکسته نشده اند سمی اند .در واقع ماکروفاژهای بدن ما این رادیکال های اکسیژن را برای از بین بردن باکتری ها تولید می کنند. باکتری ها برای شکستن این محصولات اکسیژن، سه آنزیم دارند:

۱)   کاتالاز که مطابق واکنش زیر پراکسید هیدروژن را می شکند:

۲H₂O_2→۲H₂O +O₂

۲)   پراکسیداز که آن نیز پراکسید هیدروژن را می شکند.

۳)   سوپر اکسید دیسموتاز که این آنزیم رادیکال سوپراکسید را در واکنش زیر تغییر می دهد:

O₂^– + O₂^– +۲H⁺→H₂O₂ + O₂

باکتری ها در یک طیف طبقه بندی می شوند. در یک انتهای این طیف باکتری هایی هستند که اکسیژن دوست اند، تمام آنزیم های محافظتی( preceding ) را دارند و بدون اکسیژن نمی توانند زنده بمانند. در طرف دیگر طیف باکتری هایی هستند که آنزیمی ندارند و در حضور اکسیژن غالباًاز بین می روند.

۱)   باکتری های هوازی اجباری:

این گروه  از این نظر دقیقاً مشابه انسان ها هستند که از گلیکولیز ،چرخه کربس TCA و زنجیره انتقال الکترون با اکسیژن به عنوان گیرنده نهایی الکترون استفاده می کنند . باکتری های این گروه تمام آنزیم های بالا را دارند. مایکوباکتریوم ها و نوکاردیا از این گروهند.

۲) باکتری های هوازی بی هوازی های اختیاری:

این نام شما را به اشتباه نیندازد. این باکتری ها هوازی اند. در زنجیره انتقال الکترون از اکسیژن به عنوان آخرین گیرنده الکترون استفاده می کنند و دارای کاتالاز و سوپراکسید دیسموتاز هستند . تنها تفاوت این است که آنها می توانند در غیاب اکسیژن با استفاده از فرایند تخمیر برای تولید انرژی رشد کنند . بنابراین آنها اگرچه می توانند بی هوازی تخمیری باشند، اما شرایط هوازی را ترجیح می دهند. اعضای خانواده ی آنتروباکتریاسه، همچون اشریشیا کولی، کلبسیلا، سالمونلا و شیگلا از این گروهند.

۲)   باکتری های بی هوازی تحمل کننده اکسیژن:

این باکتری ها از روش تخمیر استفاده می کنند و هیچ سیستم انتقال الکترونی ندارند. بنابر این به اکسیژن نیازی ندارند. آنها به دلیل داشتن سوپراکسید دیسموتاز می توانند مقادیر کم اکسیژن را تحمل کنند (اما کاتالاز ندارند ). لاکتوباسیل ها و بعضی استرپتوکوک ها در این گروه جای می گیرند.

۳)   بی هوازی های اجباری: این گروه فاقد سیتوکروم، کاتالاز، پراکسیداز و سوپراکسید دیسموتاز هستند و اکسیژن آزاد برای آنها سمیت دارد، بنابر این از آن متنفرند! برای برخی از اعضای این گروه کربوهیدرات به عنوان سوبسترای تخمیرپذیر لازم است، اما بعضی دیگر می توانند اسیدهای آمینه و پروتئین ها را نیز هیدرولیز کنند. کلاستریدیوم ها و باکتروئیدها دو نمونه از باکتری های این گروهند.

در هنگام کار در بخش بیمارستانی شما اغلب برای تشخیص عفونت های خونی از بیماران خون می گیرید و برای رشد در دو بطری محیط کشت میکروبی قرار می دهید. یکی از این دو محیط برای رشد باکتری بی هوازی در محیط بدون اکسیژن است!

شکل۲-۲-۲) انواع روش های تنفس در باکتری ها

منبع کربن و اکسیژن

برخی ارگانیسم ها از نور به عنوان منبع انرژی استفاده می کنند (فوتوتروف ها)  و برخی دیگر از مواد شیمیایی انرژی خود را تأمین می کنند(شیمیوتروف ها) . از میان ارگانیسم هایی که  از منابع شیمیایی انرژی کسب می کنند ،آنهایی که از منابع غیرآلی مثل دی اکسید کربن ،آلومینیوم و سولفید برای ساخت پیکره خود بهره می برد، اتوتروف اند. بقیه از کربن آلی استفاده می کنند و هتروتروف نام دارند. تمام باکتری های مهم پزشکی شیمیو هتروتروف اند، زیرا از مواد شیمیایی و آلی همچون گلوکز استفاده می کنند.

تخمیر (گلیکولیز ) برای متابولیسم اکسیژن توسط بسیاری از باکتری ها مورد استفاده قرار می گیرد. در تخمیر گلوکز به پیروویک اسید شکسته و مستقیماً ATP آزاد می شود . راه های مختلفی برای شکستن گلوکز به پیروویک اسید وجود دارد، اما معمول ترین آن مسیر امبدن میرهوف است. این همان روش گلیکولیز است که در بیوشیمی مورد بحث قرار می گیرد. در طی فرایند تخمیر، پیروویک اسید باید شکسته شود. با توجه به محصولات نهایی که در این راه تولید می شود می توان باکتری ها را طبقه بندی کرد. لاکتیک اسید، اتانول، پروپیونیک اسید، بوتیریک اسید، استون و دیگر اسیدهای ترکیبی می توانند تولید شوند.

شکل۲-۲-۲) انواع کلی تخمیر در باکتری ها

ارگانیسم های هوازی از تنفس استفاده می کنند. تنفس شامل گلیکولیز ،چرخه تری کربوکسیلیک اسید کربس و زنجیره انتقال الکترون همراه با فسفریلاسیون اکسیداتیو است. این راه ها همراه با هم تولید ATP می کنند.

ارگانیسم های اجباری داخل سلولی قادر به تولید ATP به روش متابولیکی نیستند و ATP را باید از میزبانشان بربایند. دو گروه شناخته شده این باکتری ها که در سلول میزبانی زندگی می کنند  و بدون میزبان قادر به بقا نیستند شامل ریکتزیا ها و کلامیدیا ها هستند.

از تفاوت های متابولیکی دیگر (مثل استفاده از یک منبع قندی خاص، نوع محصولات نهایی، نیاز اختصاصی به مواد غذایی خاص و …)  برای طبقه بندی باکتری ها استفاده می شود.