میکروب شناسی پزشکی

2. كليات باكتري شناسي

2.2. رشد و متابوليسم باكتري

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: 1. 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. 2. افزایش تعداد سلول ها (تکثیر) که معمولا بر اثر تقسیم دوتایی حاصل 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 15 تا 20 ساعت و برای اشریشیا کولی 20 تا 30 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 2 و عرض 1 میکرون) قادر خواهد بود در شرایط آزاد، حجمی به ظرفیت اقیانوس ها و دریاها را در مدت 5 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 2-2 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:

 

1-2-2) منحنی رشد باکتری ها در محیط کشت بسته

 

 

  1. 1.            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. 2.            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. 3.            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 107 باکتری در میلی لیتر افزایش نشان می دهد، حد نمو کاهش خواهد یافت. هنگامی که غلظت سلولی به   109 ˟ 5/4  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. 4.            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.

 

 

ويژگی های متابوليكی باکتری ها

باكتري ها را مي توان براساس ويژگي هاي متابوليكي شان به دو گروه کلی نیازمند به اکسیژن و فاقد نیاز به اکسیژن تقسيم كرد( شکل2-2).

 

اكسيژن

چگونگي واكنش باكتري ها با اكسيژن يك فاكتور مهم در طبقه بندي آنها است. اكسيژن يك ملكول بسيار فعال است و هنگامي كه الكترون ها را مي گيرد، مي تواند هيدروژن پراكسيد (H2O2) و راديكال هاي سوپر اكسيد (O2i و راديكال هيدروكسيلOH- )توليد كند . تمام اين تركيبات  تا زمانيكه شكسته نشده اند سمي اند .در واقع ماكروفاژهاي بدن ما اين راديكال هاي اكسيژن را براي از بين بردن باكتري ها توليد مي كنند. باكتري ها براي شكستن اين محصولات اكسيژن، سه آنزيم دارند:

 

1)   كاتالاز كه مطابق واكنش زير پراكسيد هيدروژن را مي شكند:

2H2O22H2O +O2                                                                                 

2)   پراكسيداز که آن نیز پراكسيد هيدروژن را مي شكند.

 

3)   سوپر اكسيد ديسموتاز که این آنزیم راديكال سوپراكسيد را در واكنش زير تغییر می دهد:

 

O2- + O2- +2H+→H2O2 + O2                                                                       

 

 

باكتري ها در يك طيف طبقه بندي مي شوند. در يك انتهاي اين طيف باكتري هایی هستند كه اكسيژن دوست اند، تمام آنزيم هاي محافظتي( preceding ) را دارند و بدون اكسيژن نمي توانند زنده بمانند. در طرف ديگر طيف باكتري هايي هستند كه آنزيمي ندارند و در حضور اكسيژن غالباًاز بين مي روند.

 

1)   باکتری های هوازي اجباري:

اين گروه  از اين نظر دقيقاً مشابه انسان ها هستند كه از گليكوليز ،چرخه كربس TCA و زنجيره انتقال الكترون با اكسيژن به عنوان گیرنده نهايي الكترون استفاده مي كنند . باكتري هاي اين گروه تمام آنزيم هاي بالا را دارند. مایکوباکتریوم ها و نوکاردیا از این گروهند.

2) باکتری های هوازي بی هوازی هاي اختياری:

اين نام شما را به اشتباه نيندازد. اين باكتري ها هوازي اند. در زنجيره انتقال الكترون از اكسيژن به عنوان آخرين گيرنده الكترون استفاده مي كنند و داراي كاتالاز و سوپراكسيد ديسموتاز هستند . تنها تفاوت اين است كه آنها مي توانند در غياب اكسيژن با استفاده از فرايند تخمير براي توليد انرژي رشد كنند . بنابراين آنها اگرچه مي توانند بي هوازي تخمیری باشند، اما شرايط هوازي را ترجيح مي دهند. اعضای خانواده ی آنتروباکتریاسه، همچون اشریشیا کولی، کلبسیلا، سالمونلا و شیگلا از این گروهند.

 

2)   باکتری های بي هوازي تحمل كننده اكسيژن:

این باكتري ها از روش تخمير استفاده مي كنند و هيچ سيستم انتقال الكتروني ندارند. بنابر این به اکسیژن نیازی ندارند. آنها به دليل داشتن سوپراكسيد ديسموتاز مي توانند مقادير كم اكسيژن را تحمل كنند (اما كاتالاز ندارند ). لاکتوباسیل ها و بعضی استرپتوکوک ها در این گروه جای می گیرند.

 

3)   بي هوازي هاي اجباري: اين گروه فاقد سیتوکروم، کاتالاز، پراکسیداز و سوپراکسید دیسموتاز هستند و اكسيژن 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 كار در بخش بيمارستاني شما اغلب براي تشخيص عفونت هاي خوني از بيماران خون مي گيريد و براي رشد در دو بطري محيط كشت ميكروبي قرار مي دهيد. يكي از اين دو محيط براي رشد باکتری بي هوازي در محيط بدون اكسيژن است!

  Image result for types of respiration] in bacteria

شکل2-2-2) انواع روش های تنفس در باکتری ها

 

 

منبع كربن و اكسيژن

برخي ارگانيسم ها از نور به عنوان منبع انرژي استفاده مي كنند (فوتوتروف ها)  و برخي ديگر از مواد شيميايي انرژي خود را تأمين مي كنند(شیمیوتروف ها) . از ميان ارگانيسم هايي كه  از منابع شيميايي انرژي كسب مي كنند ،آنهايي كه از منابع غيرآلي مثل دي اكسيد كربن ،آلومينيوم و سولفيد برای ساخت پیکره خود بهره مي برد، اتوتروف اند. بقيه از كربن آلي استفاده مي كنند و هتروتروف نام دارند. تمام باكتري هاي مهم پزشكي شیمیو هتروتروف اند، زيرا از مواد شيميايي و آلي همچون گلوكز استفاده مي كنند.

تخمير (گليكوليز ) براي متابوليسم اكسيژن توسط بسياري از باكتري ها مورد استفاده قرار مي گيرد. در تخمير گلوكز به پيروويك اسيد شكسته و مستقيماً ATP آزاد مي شود . راه هاي مختلفي براي شكستن گلوكز به پيروويك اسيد وجود دارد، اما معمول ترين آن مسیر امبدن ميرهوف است. اين همان روش گليكوليز است كه در بيوشيمي مورد بحث قرار مي گيرد. در طی فرایند تخمير، پيروويك اسيد بايد شكسته شود. با توجه به محصولات نهايي كه در اين راه توليد مي شود مي توان باكتري ها را طبقه بندي كرد. لاكتيك اسيد، اتانول، پروپيونيك اسيد، بوتیريك اسيد، استون و ديگر اسيدهاي تركيبي مي توانند توليد شوند.

Image result for fermentation bacteria

شکل2-2-2) انواع کلی تخمیر در باکتری ها

ارگانيسم هاي هوازي از تنفس استفاده مي كنند. تنفس شامل گليكوليز ،چرخه تري كربوكسيليك اسيد كربس و زنجيره انتقال الكترون همراه با فسفريلاسيون اكسيداتيو است. اين راه ها همراه با هم توليد ATP مي كنند.

ارگانيسم هاي اجباري داخل سلولي قادر به توليد ATP به روش متابوليكي نيستند و ATP را بايد از ميزبانشان بربایند. دو گروه شناخته شده اين باكتري ها که در سلول ميزباني زندگي مي كنند  و بدون ميزبان قادر به بقا نيستند شامل ریکتزیا ها و کلامیدیا ها هستند.

از تفاوت هاي متابوليكي ديگر (مثل استفاده از یک منبع قندی خاص، نوع محصولات نهايي، نياز اختصاصي به مواد غذايي خاص و ...)  براي طبقه بندي باكتري ها استفاده مي شود. 

 سوالات پايان فصل:

1.مراحل تقسيم سلولي باكتري را توضيح دهيد.

2.الگوي رشد باكتري در محيط كشت شامل چه مراحلي است؟

3. علت استفاده از دو بطري در تشخيص عفونتهاي خوني در بالين چيست؟