Morfologia bacteriana

Un criteriu important pentru identificarea bacteriilor il constituie morfologia celulei bacteriene. Aceasta morfologie poate varia in limitele permise de mecanismele genetice sub influenta a numerosi factori de mediu fizici si chimici (temperatura, pH, etc.).

Morfologia propriu-zisa a bacteriilor se refera la urmatoarele elemente:

1. Dimensiunile bacteriilor

Dimensiunile bacteriilor pot varia in functie de specie, de conditiile de mediu si de stadiul de dezvoltare al culturii. In general, aceste dimensiuni sunt de ordinul micronilor, foarte putine specii avand dimensiuni sub un micron. Bacteriile cele mai mici fac parte din genurile Brucella, Bordetella si Haemophilus    (0,1 - 0,5 microni), iar cele mai mari sunt: Bacillus anthracis (3 - 8 microni ) si Treponema pallidum (5 - 20 microni ).

Cele mai frecvente forme bacteriene intalnite in cavitatea orala au dimensiuni cuprinse intre 0,5 - 2 microni (coci), 0,5 - 10 microni (bacili) si 10 - 15 microni (spirili).

2. Forma si asezarea bacteriilor

Dupa forma, bacteriile se pot grupa in mai multe categorii:

2.1. Forma sferica , cocoidala cu diametrele egale "izodiametric" sau inegale: ovalara, lanceolata sau de forma "triunghiurilor de branza topita" (Diplococcus pneumoniae), reniforma (Neisseria gonorrhoeae si meningitidis).

Cocii pot fi dispusi izolat sau se pot grupa in mod caracteristic.

. diplo (dispunere in perechi). Celulele rezultate raman grupate doua cate doua (Diplococcus pneumoniae, Neisseria meningitidis);

strepto (coci dispusi in lanturi). Celulele rezultate dupa diviziune raman alaturi si alcatuiesc lanturi (ex. Streptococcus pyogenes);

stafilo (coci dispusi in ciorchine) (ex. Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis).

2.2. Forma cilindrica - bacilii se prezinta sub forma de bastonase mai mult sau mai putin drepte, cu diferente evidente intre lungime si latime. Germenii cu forme alungite, numiti si bacili, pot fi:

cilindrici

fuziformi, sau cu

extremitatile usor deformate.

Formele cilindrice au capetele taiate drept (Bacillus anthracis) sau le au usor rotunjite (Escherichia coli); aspectul fuziform este dat de zona centrala mai dilatata si capetele ascutite (Fusobacterium fusiformis). Alti bacili au capetele mai dilatate decat restul corpului dand aspect de haltera sau de maciuca (Corynebacterium diphteriae).

In general, bacilii pot sa fie drepti (majoritatea speciilor) sau usor incurbati (Mycobacterium tuberculosis).

In ceea ce priveste dispozitia bacililor, ei pot fi intalniti izolati (enterobacterii), in perechi (diplobacili - Klebsiella pneumoniae), in lanturi (streptobacili - Bacillus anthracis), in palisada (ca scandurile unui gard) sau dispozitie intamplatoare dand aspectul literelor chinezesti (Corynebacterium diphteriae) sau de tipar X,Y,Z,N (Mycobacterium tuberculosis).

2. Forma spiralata cuprinde 3 subtipuri morfologice:

vibrionul, in forma de virgula (gen Vibrio: Vibrio cholerae);

spirilul cu mai multe tururi de spira rigide (Spirillum volutans);

spirocheta in forma de spirala cu mai multe ture de spira, flexibile, mai mult sau mai putin regulate (gen Borrelia) si nedeformabile in cazul genului Treponema si Leptospira.

Deseori, in culturile vechi sau sub influenta diversilor agenti fizici, chimici sau biologici (temperatura, pH, chimioterapice) pot sa apara forme modificate ca aspect: filamentoase, umflate, ramificate. De asemenea, unii germeni, chiar in culturi obisnuite, se prezinta sub forme diferite. Acest fenomen se numeste pleomorfism.

Forme intermediare - cocobacili (parvobacterii si germeni anaerobi).

Structura celulei bacteriene

Daca forma celulei bacteriene a putut fi evidentiata la microscopul optic obisnuit, cunoasterea structurii bacteriei a devenit posibila numai odata cu perfectionarea mijloacelor de cercetare ca:

descoperirea microscopului electronic si utilizarea tehnicilor de sectiuni ultrafine;

descoperirea microscopului cu contrast de faza;

utilizarea metodelor fizico-chimice de izolare a diferitelor structuri microbiene (ultrasunete, tratamente cu enzime, centrifugari diferentiate);

microdisectii.

Cu ajutorul acestor metode s-a dovedit ca celula bacteriana are o structura complexa, fiind formata din urmatoarele elemente:

- obligatorii: peretele celular, membrana citoplasmatica, citoplasma, nucleul;

- facultative: capsula, cilii sau flagelii, pilii si sporul.

1. Peretele celular este situat la exteriorul corpului bacteriei, este foarte rigid determinand si mentinand forma ei caracteristica. Peretele celular are o grosime medie de 150Å.

Functiile peretelui celular sunt multiple:

1. asigura forma bacteriilor;

2. este sediul antigenelor implicate in raspunsul imun;

este sediul unor receptori celulari, proteine, virusuri;

4. sustinerea mecanica si protectia celulei;

5. rol in fenomenul de osmoza, fiind permeabil selectiv pentru substantele nutritive din mediu si pentru produsele de excretie celulara (produse de catabolism, toxine, enzime, etc);

6. este raspunzator de afinitatea tinctoriala a germenilor fata de colorantii bazici (coloratia Gram);

7. in cadrul procesului de diviziune celulara, peretele celular impreuna cu membrana citoplasmatica participa la formarea septurilor transversale.

Grosimea peretelui celular, ca si structura si compozitia chimica sunt variabile in raport cu specia bacteriana.

Din punct de vedere al compozitiei chimice, membrana celulara este formata dintr-un compus de baza: peptidoglicanul sau mureina (polimeri formati din 2 tipuri de hexoze: N.acetil glucozamina, N.acetil muramic) → schelet de baza.

Unii constituenti chimici aflati in peretele celular sunt specifici pentru bacterii: acidul muramic, acidul diaminopimelic si acizii theicoici. Acestia din urma sunt prezenti numai la bacteriile Gram pozitive. Acizii theicoici au un rol functional important:

1. leaga ionii de Mg²⁺ si creeaza microclimatul functiei sistemului enzimatic al membranei;

2. leaga enzimele autolitice (implicate in cresterea peretelui celular si reglarea diviziunii);

sunt importante antigene de suprafata (implicate in reactii de sensibilizare);

4. sunt receptori pentru bacteriofagi si colicine.

Dupa cele relatate mai sus, exista o diferenta de compozitie chimica a peretelui la bacteriile Gram pozitive si cele Gram negative. Peretele bacteriilor Gram pozitive este format in mare parte din glucopeptide parietale, mai ales din acid muramic, acid diaminopimelic si cativa acizi aminati (acid teichoic).

Peretele bacteriilor Gram negative cuprinde glucopeptidele parietale mai sus citate si un complex glucido-lipido-proteic in care cantitatea de lipide este mare (20%). Structura acestor germeni este mult mai complexa si mai putin omogena. Prezinta doua membrane: membrana externa si membrana interna, separate de un spatiu periplastic.

Membrana externa - contine lipopolizaharidul (LPS) a carui structura este constituita din trei parti: . lipidul A (dotat cu activitate toxica)

. polizaharide (constituie antigenul R)

. monozaharide caracteristice de specie sau de tip (alcatuiesc antigenul "0"

somatic)

Membrana interna - alcatuita din fosfolipide si proteine.

Peretele celular lipseste la o serie de bacterii inferioare: Mycoplasma.

1.1. Protoplastul si sferoplastul.

a) Protoplastul reprezinta bacteria Gram pozitiva dupa indepartarea completa a peretelui celular sub actiunea lizozimului si penicilinei. Protoplastii pastreaza functiile biologice ale celulei din care provin.

b) Sferoplastul. Bacteriile Gram negative nu-si degradeaza complet peretele celular sub actiunea lizozimului. In medii hipertonice, celula se transforma in sferoplast - corp sferic echivalent cu protoplastul, insa inconjurat de constituentii peretelui care au rezistat actiunii lizozimului.

c) Formele L - forme derivate din protoplasti si sferoplasti intr-un mediu osmotic protector. Prezenta lor in anumite zone ale organismului favorizeaza infectia cronica.

2. Citoplasma.

Citoplasma bacteriilor reprezinta un sistem coloidal format din proteine, enzime, lipide, pigmenti, hidrati de carbon, saruri minerale si apa. Caracteristic citoplasmei tuturor fiintelor vii este prezenta unei mari cantitati de acid ribonucleic (ARN) care, in mod special la bacterii, este in cantitate mare. Aspectul structural al citoplasmei este variabil in functie de specie, varsta culturii si de conditiile de mediu.

2.1. Ribozomii din citoplasma sunt in forma aproape sferica. Marimea si stabilitatea ribozomilor s-au dovedit a fi in functie de concentratia ionilor de Mg si K (80-150Å). Din punct de vedere chimic, ribozomii contin un tip special de ARN si proteine cu greutate moleculara 30.000 D.

Ribozomii au un rol esential:

1. in procesul de biosinteza al proteinelor celulare;

2. sunt sediul unui numar mare de enzime (oxidative, ribonucleaza). Ei au tendinta de a se grupa in gramezi alcatuind ceea ce se numesc polizomi (poliribozomi), ce au o actiune mult mai eficienta in procesul de biosinteza proteica decat ribozomii individuali.

2.2. Incluziile - sunt formatiuni structurale inerte care apar in citoplasma bacteriilor la sfarsitul perioadei lor de crestere activa. Mediul in care se dezvolta, tipul si varsta bacteriilor influenteaza prezenta si abundenta incluziilor. In functie de compozitia lor chimica ele se pot clasifica in:

Polimerii anorganici - reprezentati de polimetafosfati cunoscuti sub denumirea de granulatii de volutina. Au fost descrisi prima data de Babes si Ernst, care i-au numit "corpusculi metacromatici". Se gasesc in numar mare la grupul Corynebacterium;

Incluziile anorganice simple - sunt reprezentate de granulatiile de carbonat de calciu si de granulatii de sulf coloidal;

Polimerii organici: incluziile de glicogen si amidon sunt considerate ca rezervor de material energetic si sunt prezente mai ales la germenii sporulati aerobi;

Incluziile lipidice - au rol de rezervor de material nutritiv in celulele tinere, iar in cele batrane apar mai mult ca un semn de degenerescenta. In celulele vii ele apar ca picaturi rotunde refringente.

In general, incluziile au fost considerate ca formatii structurale prezente constant in celula bacteriilor. Ca importanta biologica reprezinta rezerve substantiale nutritive folosite de celula in anumite etape ale ciclului de dezvoltare.

2. Vacuolele - sunt formatii sferice care contin diferite substante in solutii apoase, avand o membrana lipoproteica denumita tonoplast. Vacuolele apar ca rezultat al activitatii metabolice sau ar fi un loc de acumulare al produsilor toxici pentru celula, fapte ce ar explica numarul mare al acestora in citoplasma celulelor batrane.

2.4. Plasmidele - reprezinta unitati genetice extracromozomiale (ADN extracromozomial cu o molecula mai scurta decat ADN-ul celular). Acestea imprima anumite caractere bacteriei purtatoare (plasmida "R" este legata de aparitia rezistentei la unele chimioterapice).

Nucleul

Nucleul este una din componentele importante ale celulei bacteriene. Spre deosebire de nucleul celulelor eucariote (celulele apartinand fiintelor superioare) nucleul bacterian nu este delimitat de o membrana diferentiata, masa nucleara vine in contact direct cu citoplasma (caracter de celula procariota). Cercetarile asupra compozitiei chimice au aratat ca nucleul celulei bacteriene contine acid dezoxiribonucleic (ADN).

Este localizat, de obicei, in partea centrala a celulei, reprezentand 5-16% din volumul ei. Pe sectiuni ultrafine s-a observat existenta cromozomului bacterian, alcatuit dintr-o singura molecula de ADN. La nivelul nucleului este inscrisa zestrea genetica, acesta dirijand si procesul de diviziune celulara.

4. Membrana citoplasmatica

Membrana citoplasmatica (membrana celulara) este situata imediat sub peretele celular, inconjoara citoplasma separand-o de exteriorul celulei. Are o grosime de 50-100Å si o structura triplustratificata. Din punct de vedere a compozitiei chimice contine: lipide, proteine, ARN, enzime si carbohidrati.

Membrana citoplasmatica are un rol functional - participa la:

formarea septului transversal in timpul diviziunii;

rol in permeabilitatea celulara; au loc transporturi de electroni si procese de fosforilare oxidativa; este sediul enzimelor citocrom oxidaze ce participa in metabolismul energetic (respiratie bacteriana).

Din membrana citoplasmatica patrund spre citoplasma invaginari de forma lamelara sau ca niste saculeti numiti mezozomi.

4.1. Mezozomii - fac legatura intre membrana citoplasmatica si materialul nuclear, participa in procesul de replicare a cromozomilor si sinteza componentelor peretelui celular. La acest nivel se gaseste sediul enzimelor ce intervin in reactiile de oxidoreducere.

5. Elemente anexe

Exista si o serie de elemente care se intalnesc numai la unele specii bacteriene.

Acestea sunt:

5.1. Capsula

Dupa unii autori, toate bacteriile prezinta la periferie un strat mucos foarte subtire, invizibil cu mijloacele uzuale de cercetare (el ar constitui antigenele de invelis care confera virulenta germenilor), care constituie microcapsule (Wilkinson), (stafilococi, streptococi).

Unele bacterii, insa, prezinta la exterior un invelis format dintr-o masa gelatinoasa bine delimitata si usor de evidentiat, numit capsula.

Aceasta se pune in evidenta numai prin coloratii indirecte cand se incorporeaza in mediu anumiti coloranti (tusul de China) care fac ca aceasta formatiune sa apara la microscop ca un halou incolor in jurul celulei bacteriene.

Prezenta stratului mucos, ca si prezenta capsulei, determina vascozitatea mediului lichid in care se cultiva bacteriile respective. In cazul in care cultura se face pe medii solide, aspectul coloniilor este umed, lucios, mucoid. Compozitia chimica a capsulelor este diferita de aceea a celulei bacteriene. In general, este de natura polizaharidica, ca la Streptococcus pneumoniae (mucopolizaharidica), sau polipeptidica, ca la B. anthracis si mucopeptidica ca la Klebsiella. Uneori, insa, poate fi constituita din complexe lipidice sau lipoproteice (gen Brucella).

Este de semnalat faptul ca diversele specii bacteriene pot contine diverse polizaharide cu compozitii chimice diferite. Mai mult, chiar in cadrul aceleiasi specii, diverse tulpini pot avea compozitii chimice diferite, ceea ce permite diferentierea lor serologica. Formarea capsulei depinde de mai multi factori:

- conditiile de mediu (compozitia mediului) si

- faza de dezvoltare a bacteriei.

Capsula exercita un rol:

1. Protector in virulenta germenilor.

2. Confera protectie bacteriilor fata de agentii antimicrobieni (lizozim, enzime litice, complement).

5.2. Fimbriile (fimbria = franjuri) sau pilii comuni (pilu = par) sunt niste formatiuni filamentoase rigide asezate pericelular la anumite bacterii (Gram negative). Ele se pot intalni atat la bacteriile ciliate, cat si la cele neciliate.

Sunt formatiuni tubulare cu diametru exterior de 70Å care nu au rol in mobilitatea bacteriei, ci in fixarea acesteia pe substraturile solide. In afara pililor de tip obisnuit (asa numiti "pili comuni") exista la unele bacterii (cu anumite particularitati genetice) o categorie aparte de pili denumiti "pili F", (asupra carora se va reveni in capitolul de genetica bacteriana - variabilitatea genetica ("pili sexuali").

5. Organele locomotorii sunt reprezentate de cili si flageli.

Cilii si flagelii sunt formatiuni anexe care se intalnesc numai la numite specii bacteriene si care confera o mobilitate deosebita bacteriilor care le au.

Cilii se intalnesc numai la numite specii, fiind prezenti la bacili, vibrioni, spirili si, numai exceptional, la coci.

Din punct de vedere chimic, flagelii sunt formati din proteine complexe, denumite flageline, constituite din 14 acizi aminati (antigeni specifici).

Dupa localizarea si numarul flagelilor, s-au descris urmatoarele tipuri:

bacterie monotricha, cu un singur cil lung la un capat (ex. Vibrion holeric);

bacterie amfitricha, cu cate un cil la cele 2 capete ale corpului    (ex. Treponema pallidum);

bacterie lofotricha, cu un manunchi de cili la unul sau ambele capete (gen Pseudomonas);

bacterie peritriche, cu cili dispusi de jur imprejurul celulei (ex. gen Proteus,   gen Salmonella).

Bacteriile lipsite de cili se numesc atriche.

5.4. Cromatoforii . Sunt formatiuni citoplasmatice specializate ca centre fotochimice. Ele sunt prezente la bacteriile fotosintetizate purpurii, constituind pana la 40 - 50% din greutatea uscata a celulei (ex. Rhodospirillum rubrum).

5.5. Sporul Anumite bacterii pot da nastere unor formatiuni numite endospori. Acest fenomen de sporogeneza este des intalnit la familia Bacillaceae, fiind constant aproape la genul Clostridium si facultativ la genul Bacillus. Din punct de vedere morfologic, sporul are forma ovalara sau sferica, are dimensiuni variabile, curpinse intre 0,5 - 0,9 microni sau 1 - 1,5 microni.

Asezarea lui in celula variaza la diferitele specii si observam:

bacili avand sporul asezat central sau subterminal, mai mic decat celula (deci nu-i modifica forma). Acestia sunt caracteristici bacteriilor ( B. antrax);

bacili cu spori asezati central sau subterminal mai mari decat celula bacteriana (deci ii modifica forma). Acestia sunt caracteristici clostridiilor   (Cl. oedematiens, Cl. histolyticum);

bacili cu spori terminali avand dimensiuni mai mari decat celula (B. tetanic).

Sporii se pun, in general, in evidenta prin coloratii speciale. Cu ajutorul microscopului electronic si a sectiunilor ultrafine s-a putut pune in evidenta structura interna a sporilor. Pe peretii sporali se gaseste o formatiune externa gelatinoasa:

Exosporium (ramasita a celulei vegetative);

Peretii sporali sau invelisurile sporale sunt constituite din doua straturi, unul extern, in legatura cu exosporul si altul intern, in legatura cu cortexul;

Cortexul, la randul lui, are o structura lamelara;

Sporoplasma - masa densa si opaca, in care aparatul nuclear se distinge la periferie si ADN-ul cromozomial, sporal.

Din punct de vedere chimic, sporul este foarte bogat in lipide si acid ribonucleic (ARN), Ca si Mg. Formarea sporului are loc in trei faze succesive (dupa Knaysi, 1951):

a) stadiul preparator;

b) stadiul de prespor;

c) stadiul de maturatie.

In momentul germinarii sale (in conditii favorabile), sporul se mareste si, la un moment dat, se produce o ruptura a membranelor prin care iese noua celula vegetativa.

Sporii reprezinta o forma de rezistenta si de conservare a speciei. Dintr-o celula bacteriana apare un spor si dintr-un spor se formeaza o singura celula vegetativa.

Ei pastreaza proprietatile celulei din care provin si le transmit celulei germinative. Sporul reprezinta forme de viata latente, cu procese metabolice foarte reduse si, datorita acestui lucru, au o longevitate foarte mare. Sporul are o mare rezistenta la caldura, uscaciune si la actiunea substantelor chimice. Sporii anumitor specii rezista la actiunea fenolului timp de o saptamana si chiar la temperaturi de 200˚C (caldura uscata). Caracterele de rezistenta se pare ca sunt imprimate de faptul ca in spor apa se gaseste legata de anumite structuri chimice si de prezenta unui lipid special, absent in forma vegetativa: dipicolinatul de calciu.

. Importanta clinica a sporilor bacterieni

Importanta clinica a sporilor consta in deosebita lor rezistenta la caldura si agenti chimici; din acest motiv, pentru materialele chirurgicale, sterilizarea prin fierbere nu este eficienta, fiind necesare alte metode de sterilizare (autoclavarea). De asemenea, aceasta proprietate a sporilor( Baccilus stearothermophilus) este utilizata in scopul evaluarii eficientei sterilizarii prin autoclavare.

TABEL 1. CARACTERE DE DIFERENTIERE INTRE CELULA

PROCARIOTA SI EUCARIOTA