طبقه‌بندی، ساختار و تکثیر باکتری‌ها

مقدمه و ساختار پیلی پیلی‌ها (یا فیمبریاها) زواید مو مانند و پروتئینی ظریفی هستند که در سطح برخی از باکتری‌ها (اعم از باکتری‌های گرم مثبت و گرم منفی) دیده می‌شوند. پروتئین اصلی سازنده این ساختارها پیلین (Pilin) نام دارد. به دلیل ماهیت پروتئینی، پیلی‌ها خاصیت آنتی‌ژنی قوی دارند و می‌توانند سیستم ایمنی میزبان را برای تولید آنتی‌بادی تحریک کنند. با توجه به قطر بسیار کم و ساختار ظریف پیلی، این ضمیمه سلولی با میکروسکوپ‌های نوری معمولی (حتی با رنگ‌آمیزی‌های اختصاصی) قابل مشاهده نیست و بررسی ساختاری آن تنها به کمک میکروسکوپ الکترونی امکان‌پذیر است.

factor

نقش پیلی در پاتوژنز (بیماری‌زایی) و ویرولانس در واژه‌شناسی پزشکی، ویرولانس (Virulence) به معنای توانایی و درجه پاتوژنیسیته یک عامل عفونی در ایجاد بیماری است؛ به طوری که عوامل بسیار ویرولنت حتی با دوز اندک (تعداد کم باکتری) نیز می‌توانند در میزبان بیماری ایجاد کنند. پیلی به عنوان یکی از مهم‌ترین فاکتورهای ویرولانس باکتریایی شناخته می‌شود و این نقش را از طریق مکانیسم‌های زیر ایفا می‌کند: ۱. اتصال و چسبندگی (Adhesion)؛ گام نخست عفونت اساسی‌ترین مرحله در آغاز هرگونه عفونت باکتریایی، اتصال محکم باکتری به گیرنده‌های اختصاصی در سطح سلول‌های میزبان است. بدون این اتصال، باکتری‌ها توسط جریان مایعات بدن (مانند ترشحات مخاطی، ادرار یا حرکات دودی روده) شسته و دفع می‌شوند. لیگاندها و رسپتورها: پیلی‌ها حاوی مولکول‌های چسبندگی اختصاصی به نام ادسین (Adhesin) هستند. این مولکول‌ها عموماً به ساختارهای کربوهیدراتی (مانند مونوساکاریدها یا باقیمانده‌های قندی) در سطح سلول‌های اپیتلیال میزبان متصل می‌شوند. از این ویژگی اتصالی در محیط‌های آزمایشگاهی نیز برای شناسایی و غربالگری استفاده می‌شود. مثال بارز بالینی (نیسریا گونوره یا گنوکوک): عامل بیماری سوزاک، برای استقرار در مجاری ادراری-تناسلی به پیلی‌های خود وابسته است. اتصال ایجاد شده توسط این پیلی‌ها به قدری محکم است که حتی جریان شدید و متناوب ادرار نیز نمی‌تواند باکتری را از مخاط جدا کند. ۲. تغییرات آنتی‌ژنی (Antigenic Variation) و فرار از سیستم ایمنی یکی از هوشمندانه‌ترین مکانیسم‌های بقای باکتری‌ها در بدن میزبان، توانایی تغییر مداوم ساختار پروتئین‌های سطحی برای فرار از پاسخ ایمنی هومورال (آنتی‌بادی‌ها) است. مکانیسم عمل: هنگامی که سیستم ایمنی علیه پروتئین پیلینِ یک باکتری آنتی‌بادی اختصاصی تولید می‌کند، باکتری با تغییر چیدمان ژنتیکی و بیان پروتئین‌های پیلین جدید، ساختار آنتی‌ژنی پیلی‌های خود را تغییر می‌دهد. در نتیجه، آنتی‌بادی‌های قبلی دیگر کارایی ندارند و سیستم ایمنی ناچار است دوباره فرآیند شناسایی را از ابتدا آغاز کند.

adhesion

مکانیسم عمل: هنگامی که سیستم ایمنی علیه پروتئین پیلینِ یک باکتری آنتی‌بادی اختصاصی تولید می‌کند، باکتری با تغییر چیدمان ژنتیکی و بیان پروتئین‌های پیلین جدید، ساختار آنتی‌ژنی پیلی‌های خود را تغییر می‌دهد. در نتیجه، آنتی‌بادی‌های قبلی دیگر کارایی ندارند و سیستم ایمنی ناچار است دوباره فرآیند شناسایی را از ابتدا آغاز کند. نمونه‌های شاخص: گنوکوک (Neisseria gonorrhoeae): این باکتری استاد تغییرات آنتی‌ژنی در ساختار پیلی است. استرپتوکوکوس پایوژنز (Streptococcus pyogenes): عامل گلودرد چرکی در انسان که از مکانیسم‌های مشابهی برای تغییر پروتئین‌های سطحی و فرار از سیستم ایمنی بهره می‌گیرد.

۱. انتقال ژنتیکی و پیلی جنسی (Sex Pili) در ساختمان برخی باکتری‌ها، نوع خاصی از پیلی وجود دارد که وظیفه‌ی آن انتقال ماده ژنتیکی (DNA) از باکتری دهنده به باکتری گیرنده است. این فرآیند که کونژوگاسیون (Conjugation) نام دارد، نقش کلیدی در گسترش مقاومت‌های آنتی‌بیوتیکی در جمعیت‌های باکتریایی ایفا می‌کند. ۲. کپسول باکتریایی و لایه‌های سطحی بسیاری از باکتری‌ها توسط لایه‌ای از مواد پلیمری پوشیده شده‌اند که خارج از دیواره سلولی قرار می‌گیرد. این پوشش که معمولاً پیوند کووالانسی محکمی با لایه‌های زیرین ندارد، بر اساس ساختار و ضخامت به سه شکل دیده می‌شود: الف) ماکروکپسول (Macro-capsule) تعریف: لایه‌ای ضخیم، سازمان‌یافته و متراکم است که به راحتی با میکروسکوپ نوری قابل مشاهده می‌باشد. اهمیت بالینی: کپسول یکی از مهم‌ترین فاکتورهای ویرولانس است. باکتری‌های کپسول‌دار به دلیل توانایی فرار از سیستم ایمنی (جلوگیری از فاگوسیتوز توسط گلبول‌های سفید)، به مراتب بیماری‌زاتر از سویه‌های بدون کپسول هستند. مشاهده آزمایشگاهی: در زیر میکروسکوپ، کپسول به صورت یک هاله‌ی شفاف و قطور در اطراف جسم باکتری دیده می‌شود. برای مشاهده بهتر، از روش‌های رنگ‌آمیزی اختصاصی (مانند رنگ‌آمیزی منفی با استفاده از مرکب چین یا روش کپسول‌گرافی) استفاده می‌شود. ب) میکروکپسول (Micro-capsule) لایه‌ای بسیار نازک است که با میکروسکوپ نوری قابل رؤیت نیست و تنها از طریق روش‌های ایمونولوژیک یا میکروسکوپ الکترونی تأیید می‌شود. ج) لایه لعابی یا اسلایم (Slime Layer / Glycocalyx) این لایه شل و غیرمنظم است و به راحتی از سطح باکتری جدا می‌شود. نقش در تشکیل پلاک دندان: نمونه بارز این حالت، برخی استرپتوکوک‌ها (مانند Streptococcus mutans) هستند. این باکتری‌ها با تولید این لایه پلی‌ساکاریدی، روی مینای دندان یا شیار لثه‌ها مستقر شده و با ایجاد پلاک دندانی، زمینه‌ساز پوسیدگی دندان می‌شوند.

۱. میکروکپسول و روش‌های شناسایی آن میکروکپسول نسبت به ماکروکپسول لایه‌ای بسیار نازک‌تر است؛ به طوری که به صورت عادی با میکروسکوپ نوری دیده نمی‌شود و برای مشاهده مستقیم ساختار آن به میکروسکوپ الکترونی نیاز است. با این حال، در آزمایشگاه‌های تشخیص طبی از روشی غیرمستقیم برای مشاهده آن استفاده می‌شود: تست تورم کپسولی (Quellung Reaction): در این تست، باکتری در مجاورت آنتی‌سرم‌های اختصاصی (آنتی‌بادی‌های ضد کپسول) قرار می‌گیرد. اتصال آنتی‌بادی به کپسول باعث تغییر ضریب شکست نور و متورم به نظر رسیدن کپسول می‌شود؛ در نتیجه زیر میکروسکوپ نوری قابل رویت می‌گردد. تعیین سروتیپ: چون این آزمایش با آنتی‌سرم‌های اختصاصی انجام می‌شود، علاوه بر مشاهده کپسول، می‌توان نوع دقیق آنتی‌ژن کپسولی و سروتیپ باکتری را نیز تعیین کرد. ۲. لایه اسلایم (Slime Layer) یا مایع چسبناک باکتری‌ها پلیمرهایی از جنس پلی‌ساکارید را به محیط اطراف خود ترشح می‌کنند. اگر این پلیمرها قوام و سازمان‌دهی مشخصی نداشته باشند و به صورت شل و نامنظم در اطراف باکتری قرار گیرند، به آن لایه اسلایم می‌گویند. این لایه مرز مشخصی ندارد و به راحتی از سطح باکتری جدا می‌شود. ۳. نقش کپسول و اسلایم در بیماری‌زایی پوشش‌های کپسولی از دو جهت در پاتوژنز اهمیت دارند: چسبندگی (Adhesion): کپسول نیز مانند پیلی، قدرت چسبندگی باکتری به سطوح مخاطی را افزایش می‌دهد. تشکیل بیوفیلم (Biofilm): با گذشت زمان، پلیمرهای آزاد شده (کپسول و اسلایم) به صورت ورقه‌ها یا لایه‌های متراکم روی هم قرار گرفته و ساختاری به نام زیست‌لایه یا بیوفیلم را ایجاد می‌کنند. بیوفیلم‌ها باکتری را در برابر سیستم ایمنی و آنتی‌بیوتیک‌ها محافظت می‌کنند. ۴. مکانیسم پوسیدگی دندان و تشکیل پلاک یک مثال بارز از نقش این پلیمرها در بیماری‌زایی، فعالیت استرپتوکوک‌های دهانی (مانند Streptococcus mutans) است: این باکتری‌ها از قندهای موجود در محیط (مانند ساکارز) تغذیه کرده و با استفاده از آنزیم‌های اختصاصی خود، پلیمرهای چسبنده‌ای را سنتز می‌کنند. این پلیمرها به پلاک دندانی تبدیل شده و باعث تثبیت باکتری روی مینای دندان می‌شوند. باکتری در این پناهگاه ایمن، با تولید اسید ناشی از متابولیسم قندها، تدریجاً موجب تخریب مینا و پوسیدگی دندان می‌گردد.

توجه به ظاهر کلنی باکتری یکی از روش‌های تشخیص وجود کپسول — البته از نوع ماکروکپسول — به شمار می‌رود. نکات کلیدی درباره کپسول باکتری: ناپایداری در محیط کشت: کپسول باکتری ممکن است در نمونه‌ای که مستقیماً از بیمار گرفته می‌شود دیده شود، اما پس از کشت در محیط آزمایشگاهی از بین برود. از دست رفتن هنگام تهیه اسمیر: گاهی هنگام تهیه اسمیر از محیط کشت برای مشاهده زیر میکروسکوپ، باکتری کپسول خود را از دست می‌دهد و در نتیجه کپسول دیده نمی‌شود.

نقش دیواره سلولی در حفظ شکل باکتری: از طریق روش‌های فیزیکی، می‌توان باکتری را از محتویات داخلی (سیتوپلاسم) خالی کرد؛ در این حالت تنها دیواره باکتری (پوسته) باقی می‌ماند. برخی از این پوسته‌های خالی‌شده به شکل کروی دیده می‌شوند، اما نکته اساسی این است که: اگر دیواره باکتری را از محتویاتش خالی کنیم، شکل آن تغییر نمی‌کند؛ زیرا دیواره سلولی عامل حفظ شکل باکتری است. به همین دلیل، باسیل همچنان باسیل و کوکوس همچنان کوکوس باقی می‌ماند.

دیواره سلولی باکتری دو ویژگی مهم و اساسی دارد: ۱. تعیین و حفظ شکل باکتری دیواره سلولی مشخص می‌کند که باکتری کوکوس باشد یا باسیل و همین شکل را در طول حیات باکتری حفظ می‌کند. ۲. محافظت در برابر تغییرات فشار اسمزی (مهم‌تر) دلیل این اهمیت آن است که: فشار اسمزی درون سلول باکتری، چند ده برابر بیشتر از فشار اسمزی بیرون جدار سلولی است. بنابراین اگر باکتری دیواره سلولی خود را از دست بدهد: شکل آن تغییر می‌کند، نسبت به تغییرات فشار اسمزی حساس می‌شود، و در نهایت لیز می‌شود.

مکانیسم لیز شدن باکتری فرایند لیز شدن به این ترتیب رخ می‌دهد: دیواره سلولی (که خود جزو فاکتورهای ایمنی غیراختصاصی محسوب می‌شود) توسط آنزیم‌هایی مانند لیزوزیم هضم می‌شود. پس از این اتفاق، آب به داخل باکتری نفوذ می‌کند. چون محلول اطراف باکتری در حالت هیپوتونیک بوده است، آب به درون سلول کشیده شده و در نهایت مرحله لیز شدن رخ می‌دهد. نکته: این آزمایش چون روی باکتری کوکوس انجام گرفته، نمی‌تواند به‌تنهایی نقش دیواره سلولی را در حفظ شکل باکتری اثبات کند؛ زیرا کوکوس حتی پس از از دست دادن دیواره، همچنان گرد باقی می‌ماند و تغییر شکل ظاهری نمی‌دهد. اگر محیط هایپرتونیک را از اطراف چنین باکتری‌ای حذف کنیم، آن نیز لیز شده و از بین می‌رود. احتمالاً تمامی این اتفاقات در باکتری‌های گرم مثبت رخ می‌دهد.

پروتوپلاست و اسفروپلاست بر اساس میزان از دست رفتن دیواره سلولی، دو فرم از باکتری‌ها به وجود می‌آیند: ۱. پروتوپلاست (Protoplast) باکتری گرم مثبتی که دیواره سلولی خود را به طور کامل از دست داده است. از آنجا که در باکتری گرم مثبت غشای سیتوپلاسمی هم باقی می‌ماند، پروتوپلاست می‌تواند زنده بماند. ۲. اسفروپلاست (Spheroplast) باکتری گرم منفی که دیواره سلولی خود را به طور ناقص از دست داده، اما بقایایی از آن باقی مانده است.

اهمیت بالینی و مقاومت نسبی باکتری‌ها چرا گرم مثبت‌ها مقاوم‌ترند؟ باکتری‌های گرم مثبت نسبت به گرم منفی‌ها مقاوم‌ترند، زیرا دارای دیواره ضخیم و چندلایه هستند. تشکیل مجدد دیواره و عود عفونت باکتری‌های پروتوپلاست در صورت حذف عامل مهارکننده (مانند پنی‌سیلین یا هر ماده مهارکننده دیگر) و قرار گرفتن در محیط مناسب، می‌توانند دوباره سنتز دیواره سلولی را از سر بگیرند. در نتیجه دیواره سلولی دوباره در این باکتری‌ها (که اغلب گرم مثبت‌اند) تشکیل شده و عفونت مجدد ایجاد می‌شود. نتیجه کلیدی: تشکیل پروتوپلاست در باکتری‌های گرم مثبت، یکی از دلایل عود (عودت) عفونت به شمار می‌رود.

فرم‌های L باکتری (L-Form Bacteria) همان‌طور که اشاره شد، دو حالت برای باکتری‌هایی که دیواره سلولی خود را از دست داده‌اند وجود دارد: پروتوپلاست: باکتری گرم مثبت که دیواره را به طور کامل از دست داده است. اسفروپلاست: باکتری گرم منفی که دیواره را به طور ناقص از دست داده و بقایایی از آن باقی مانده است. مجموع این دو نوع سلول باکتریایی، «باکتری‌های فرم L» نامیده می‌شوند.

lister

اهمیت پزشکی فرم‌های L مهم‌ترین اهمیت بالینی این فرم‌ها، نقش آن‌ها در عود (عودت) عفونت است: باکتری در این حالت می‌تواند بدون دیواره سلولی زنده بماند. با قرار گرفتن باکتری در شرایط هایپرتونیک، سنتز دیواره سلولی دوباره آغاز شده و تکثیر آن از سر گرفته می‌شود. به همین دلیل، حتی پس از درمان با آنتی‌بیوتیک‌های مهارکننده دیواره (مانند پنی‌سیلین)، عفونت می‌تواند مجدداً عود کند. وجه تسمیه نام «L» نام فرم L از انیستیتوی لیستر (Lister Institute) گرفته شده است؛ جایی که این آزمایش برای نخستین بار در آن انجام شد.

باکتری‌های اسپورزا (Spore-Forming Bacteria) عملکرد اسپور اسپور باکتری را در شرایط نامساعد محیطی برای سال‌ها حفظ می‌کند و با مساعد شدن شرایط، باکتری دوباره شروع به تکثیر می‌کند. جنس‌های اسپورزا در پزشکی در پزشکی، تنها دو جنس از باکتری‌ها توانایی تولید اسپور دارند: باسیلوس (Bacillus) — هوازی کلستریدیوم (Clostridium) — بی‌هوازی نکته بسیار مهم: باکتری‌های گرم منفی اسپور تولید نمی‌کنند.

مقاومت بالای اسپور اسپورها نسبت به عوامل محیطی بسیار مقاوم هستند. به همین دلیل: بخش عمده هزینه‌های بهداشتی که برای مبارزه با بیماری‌های عفونی صرف می‌شود، صرف از بین بردن اسپورهای باکتریایی می‌گردد. ساختمان و لایه‌های اسپور اسپور را در برابر عوامل فیزیکی و شیمیایی محیط — مانند خشکی، سرما، مواد ضدعفونی‌کننده و موارد مشابه — مقاوم می‌کند و این مقاومت سال‌ها ادامه می‌یابد. در این مرحله، تقسیم سلولی صورت نمی‌گیرد (حالت خفته و مقاوم). آخرین لایه اسپور از جنس پروتئینی شبیه کراتین است که عامل اصلی این مقاومت محسوب می‌شود. پس از خروج اندوسپور از باکتری مادر، بقایای یاخته مادر حذف می‌شود. اگزوسپور (Exospore) از پروتئین، چربی و کربوهیدرات تشکیل شده است. شامل یک لایه اصلی بلوری و یک ناحیه خارجی مو مانند است.

ترتیب استاندارد لایه‌های اندوسپور از خارج به داخل: اگزوسپوریوم (Exosporium) — بیرونی‌ترین لایه پوشش اسپور (Spore Coat) — لایه پروتئینی کراتین‌مانند کورتکس (Cortex) — لایه پپتیدوگلیکانی دیواره و غشای هسته هسته (Core) — حاوی ماده ژنتیکی و دی‌پیکولینیک اسید

فرایند هاگ‌زایی در باکتری‌های اسپورزا به صورت مرحله‌ای و منظم پیش می‌رود: ۱. شروع فرایند و ایجاد سپتوم نخست یک جوانه هاگ (فورسپور) درون سلول مادر به وجود می‌آید. سپس یک سپتوم (دیواره تقسیم) در میانه سلول تشکیل می‌شود و هاگ در حال تشکیل را از بقیه سلول جدا می‌کند. ۲. پیشروی غشاها و احاطه هاگ غشاهای سلول به صورت پیش‌رونده به سمت قطب‌های سلول حرکت می‌کنند تا این که هاگ در حال تشکیل را احاطه کنند. در این مرحله دو غشای تازه تشکیل می‌شود. ۳. تولید لایه‌های اختصاصی پوشش پس از تشکیل غشاهای تازه، هاگ شروع به تولید فعال لایه‌های اختصاصی پوشش سلول می‌کند. این لایه‌های اختصاصی شامل دیواره هاگ هستند که در خارج از این غشاها قرار می‌گیرند (کورتکس و پوشش اسپور). ۴. تغییرات سیتوپلاسمی در بخش مرکزی در سیتوپلاسم جدا شده جدید (بخش مرکزی هاگ)، تعداد زیادی از آنزیم‌های فعال سلول تجزیه شده و مجموعه‌ای منحصر به فرد از اجزای هاگ (مانند اسید دی‌پیکولینیک و پروتئین‌های SASP) جایگزین آن‌ها می‌شوند.

اهمیت موقعیت اسپور در تشخیص موقعیت و شکل اسپور در تشخیص اولیه بیماری‌ها اهمیت بالینی زیادی دارد: نمونه بارز: عامل کزاز در باکتری عامل کزاز (Clostridium tetani)، اسپور کمی بزرگ‌تر از خود باکتری است و در انتهای سلول قرار می‌گیرد. این شکل ظاهری به راکت تنیس تشبیه شده است. این ویژگی ظاهری در تشخیص اولیه بیماری کزاز کمک شایانی می‌کند. فعال شدن مجدد اسپور پس از آن که اسپور در شرایط مساعد قرار گرفت، دوباره فعال می‌شود و از حالت خفته خارج شده، شروع به تکثیر می‌کند.

در روند هاگ‌زایی، قطعه کوچکی از ماده ژنتیکی (DNA) به داخل اسپور فرستاده می‌شود، نه تمام آن. سپس وقتی اسپور در شرایط مساعد قرار گرفت: همان تکه DNA شروع به تکثیر می‌کند، یک رشته کامل ژنتیکی همانند باکتری اصلی به وجود می‌آورد، و دیگر همانند یک باکتری اصلی به زندگی خود ادامه می‌دهد. ساختار آناتومیک پوشش اسپور پوشش اسپور یک ساختار آناتومیک است که به شکل کیسه‌ای مشبک، باکتری را در چند لایه احاطه می‌کند و نمی‌گذارد باکتری متلاشی شود.

۱. عوارض تخریب دیواره باکتری در جریان خون . عوارض تخریب دیواره باکتری در جریان خون اگر دیواره باکتری (به‌ویژه باکتری‌های گرم منفی حاوی اندوتوکسین یا بخش‌های محرک ایمنی در گرم مثبت‌ها) در جریان خون تخریب شود، قطعات آن در خون آزاد شده و به گردش درمی‌آیند. این اتفاق منجر به بروز وضعیت زیر می‌شود: سپتی‌سمی (مسمومیت خونی - Septicemia): نوعی بیماری سیستمیک و بسیار خطرناک است که با حضور، تکثیر و باقی ماندن میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا و یا سموم (توکسین‌های) آن‌ها در جریان خون همراه است و می‌تواند به شوک عفونی منجر شود.

۲. ساختار شیمیایی پپتیدوگلیکان (PPG) دیواره سلولی باکتری‌ها از چهارچوبی مشبک و بسیار مستحکم تشکیل شده است که به آن پپتیدوگلیکان (Peptidoglycan / PPG)، مورین (Murein)، موکوکمپلکس یا موکوپپتید گفته می‌شود. این ساختار از دو بخش اصلی کربوهیدراتی (قندی) و پپتیدی (آمینو اسیدی) تشکیل شده است: الف) بخش قندی (کربوهیدراتی): این اسکلت از تکرار منظم دو قند آمینه (آمینو شوگر) تشکیل شده است که با پیوند بتا-۱-۴ (β−1,4β−1,4) به یکدیگر متصل شده‌اند: N-استیل گلوکوزآمین (NAG) N-استیل مورامیک اسید (NAM) ب) بخش پپتیدی (زنجیره آمینواسیدی متصل به NAM): یک زنجیره کوتاه متشکل از ۴ آمینو اسید (تتراپپتید) به اسید مورامیک (NAM) متصل است. ترتیب این آمینو اسیدها به این صورت است: آمینو اسید اول: L-آلانین (L-Alanine) که مستقیماً به NAM پیوند خورده است. آمینو اسید دوم: D-گلوتامیک اسید (یا ایزوگلوتامات / D-Glutamic acid). آمینو اسید سوم: این آمینو اسید بسته به نوع باکتری متغیر و تعیین‌کننده است: در باکتری‌های گرم مثبت: معمولاً L-لیزین (L-Lysine) است. در باکتری‌های گرم منفی: معمولاً دی‌آمینوپیملیک اسید (DAP) است. آمینو اسید چهارم: D-آلانین (D-Alanine).

PPG)

۱. مکانیسم تشکیل پل‌های عرضی (Cross-Linking) و اثر پنی‌سیلین استحکام شبکه پپتیدوگلیکان وابسته به پیوندهای پپتیدی متقاطع (پل‌های عرضی) است که میان زنجیره‌های پپتیدی مجاور ایجاد می‌شود: نحوه اتصال: این پل عرضی بین سومین اسید آمینه از یک زنجیره و چهارمین اسید آمینه (D-آلانین) از زنجیره مجاور برقرار می‌شود. مکانیسم اثر پنی‌سیلین: پنی‌سیلین و سایر آنتی‌بیوتیک‌های بتالاکتام، آنزیم ترانس‌پپتیداز (آنزیم مسئول ایجاد این پل‌های عرضی) را مهار کرده و از تشکیل ساختار مستحکم دیواره جلوگیری می‌کنند که در نهایت به لیز شدن باکتری می‌انجامد.

۲. تفاوت ساختار پل عرضی در باکتری‌های گرم مثبت و گرم منفی در باکتری‌های گرم منفی (اتصال مستقیم و بی‌واسطه): پل عرضی مستقیماً و بدون هیچ واسطه‌ای میان گروه آمین از اسید آمینه سوم (دی‌آمینوپیملیک اسید یا DAP) یک زنجیره و گروه کربوکسیل از اسید آمینه چهارم (D-آلانین) زنجیره مقابل تشکیل می‌شود. در باکتری‌های گرم مثبت (اتصال با واسطه پل پپتیدی): یک پل اسید آمینه‌ایِ حد واسط، اسید آمینه سوم (L-لیزین) را به اسید آمینه چهارم (D-آلانین) زنجیره مقابل متصل می‌کند. مثال شاخص: در باکتری استافیلوکوکوس اورئوس، این ساختار واسط پل پنتاگلیسین (Pentaglycine bridge) نام دارد که از ۵ اسید آمینه گلیسین پشت سر هم تشکیل شده است.

۳. تفاوت‌های کلیدی دیواره سلولی در باکتری‌های گرم مثبت و گرم منفی دیواره سلولی باکتری‌های گرم مثبت از نظر ضخامت پپتیدوگلیکان بسیار غنی است؛ به طوری که این لایه در آن‌ها ضخامتی در حدود ۲۰ تا ۸۰ نانومتر دارد و ساختار آن چندلایه یا به اصطلاح Multilayer محسوب می‌شود. در مقابل، باکتری‌های گرم منفی تنها دارای یک یا دو لایه نازک از پپتیدوگلیکان هستند که ضخامت آن‌ها معمولاً از چند نانومتر بیشتر نمی‌شود؛ به همین دلیل گفته می‌شود پپتیدوگلیکان در گرم منفی‌ها نازک و در گرم مثبت‌ها ضخیم است. از نظر تراکم اتصالات عرضی نیز تفاوت چشمگیری بین این دو گروه وجود دارد؛ تعداد پل‌های عرضی در باکتری‌های گرم مثبت بسیار بالا و تقریباً کامل است، در حالی که این پل‌ها در باکتری‌های گرم منفی به صورت ناقص و پراکنده تشکیل می‌شوند. همین تراکم بالای اتصالات در گرم مثبت‌ها باعث می‌شود که این باکتری‌ها در برابر تغییرات و فشارهای فیزیکی و مکانیکی مقاومت قابل توجهی از خود نشان دهند، در حالی که گرم منفی‌ها به دلیل نازکی لایه و ناقص بودن پل‌های عرضی، از این نظر حساس‌تر هستند. نوع اتصال عرضی هم در این دو گروه متفاوت است؛ در باکتری‌های گرم منفی، اسید آمینه سوم (دی‌آمینوپیملیک اسید) به طور مستقیم و بدون واسطه به اسید آمینه چهارم (D-آلانین) زنجیره مقابل متصل می‌شود، اما در گرم مثبت‌ها یک اسید آمینه واسط، این دو را به هم پیوند می‌دهد که نمونه بارز آن، پل پنتاگلیسین در استافیلوکوک‌هاست.

۴. تأمین انرژی برای ایجاد پیوند عرضی (پیش‌ساز پنتاپپتید) پیش از اتصال نهایی، زیرواحدهای سازنده پپتیدوگلیکان دارای ۵ اسید آمینه (پنتاپپتید) هستند که دو اسید آمینه انتهایی آن هر دو D-آلانین (D-Ala-D-Ala) می‌باشند. آزادسازی انرژی: در مرحله ترانس‌پپتیداسیون، پیوند پپتیدی بین آلانین چهارم و پنجم شکسته شده و آلانین پنجم رها می‌شود. انرژی حاصل از شکستن این پیوند، دقیقاً صرف ایجاد پل عرضی جدید می‌گردد (بدون نیاز به ATP خارج سلولی).

۵. خاصیت آنتی‌ژنی و تحریک سیستم ایمنی پروتئین‌ها و ساختارهای متصل به دیواره سلولی تنوع و وزن مولکولی بالایی دارند؛ بنابراین به عنوان آنتی‌ژن‌های قدرتمند عمل می‌کنند. این اجزا مستقیماً موجب تحریک سیستم ایمنی میزبان می‌شوند. این پروتئین‌های سطحی در هر گونه و سویه باکتریایی کاملاً اختصاصی بوده و می‌توان از آن‌ها در تفکیک‌های سرولوژیک و تشخیصی آزمایشگاهی استفاده کرد.

۱. اسیدهای تیکوئیک و لیپوتیکوئیک (مخصوص باکتری‌های گرم مثبت) اسیدهای تیکوئیک پلیمرهایی هستند که از تکرار مکرر دو قند الکلی، یعنی ریبیتول و گلیسرول، ساخته شده‌اند. از این خانواده، لیپوتیکوئیک اسید از بخش فسفولیپیدی غشای سیتوپلاسمی عبور کرده و به بیرون می‌آید؛ در نتیجه مستقیماً در معرض مخاط بدن میزبان قرار می‌گیرد. هر دو نوع، یعنی هم اسید تیکوئیک دیواره و هم لیپوتیکوئیک اسید، از آنجا که در سطح باکتری و در دسترس سیستم ایمنی قرار دارند، خاصیت آنتی‌ژنی پیدا می‌کنند. افزون بر این، هر دو به عنوان عامل بیماری‌زا (Virulence Factor) شناخته می‌شوند و نقش مهمی در اتصال باکتری به سطوح مخاطی ایفا می‌کنند. نکته دیگر اینکه هر دو ساختار، به‌ویژه اسید تیکوئیک، به عنوان گیرنده (رسپتور) باکتریوفاژها عمل می‌کنند؛ یعنی محل ورود و اتصال ویروس‌های باکتریایی بر سطح سلول به شمار می‌روند. دو ویژگی دیگر نیز برای این اسیدها ذکر می‌شود: نخست آنکه به تثبیت کاتیون‌های دوظرفیتی مانند روی (و در منابع معتبر، عمدتاً منیزیم و کلسیم) کمک می‌کنند؛ عملی که در ثبات دیواره و در ادامه در روند بیماری‌زایی باکتری نقش دارد. دوم آنکه در باکتری‌هایی که اسید تیکوئیک دارند، معمولاً پیلی وجود ندارد و این ساختار جایگزین عملکرد چسبندگی آن شده است. نکته: عبارت مربوط به نقش تثبیت کاتیون‌ها در بیماری‌زایی را با کمی تردید شنیده بودید؛ در منابع استاندارد، اتصال کاتیون‌های دوظرفیتی به اسید تیکوئیک عمدتاً برای حفظ پایداری دیواره و تأمین کاتیون‌های لازم برای آنزیم‌ها مطرح است و اثر آن بر بیماری‌زایی غیرمستقیم در نظر گرفته می‌شود.

virulence factor, teicoic acid

۲. دیواره باکتری‌های گرم منفی و غشای خارجی برخلاف گرم مثبت‌ها، باکتری‌های گرم منفی هم پپتیدوگلیکان دارند، اما این لایه در آن‌ها بسیار نازک است و از یک یا دو لایه فراتر نمی‌رود. بر روی همین لایه نازک، ساختارهای تازه‌ای شکل می‌گیرد که در مجموع پوشش (Envelope) نامیده می‌شود. به همین دلیل است که درباره باکتری گرم منفی از اصطلاح پوشش سلولی استفاده می‌شود. مهم‌ترین جزء این پوشش، غشای خارجی (Outer Membrane) است که شباهت زیادی به غشای سیتوپلاسمی دارد. این غشای خارجی ساختاری دولایه و نامتقارن است که لایه بیرونی آن به‌طور عمده از لیپوپلی‌ساکارید (LPS) و لایه درونی آن از فسفولیپید ساخته شده است.

۳. فضای پری‌پلاسمیک فاصله میان غشای خارجی و غشای سیتوپلاسمی، فضای پری‌پلاسمیک (Periplasmic Space) نام دارد. این فضا از ماده‌ای ژل‌مانند پر شده و محل تجمع آنزیم‌های متعددی است. به‌عنوان نمونه، آنزیم‌هایی که پنی‌سیلین را تجزیه و بی‌اثر می‌کنند (بتالاکتامازها) دقیقاً در همین ناحیه قرار دارند. از همین رو، فضای پری‌پلاسمیک نه یک ناحیه ساکن، بلکه محیطی فعال و دینامیک به شمار می‌آید.

۴. لیپوپلی‌ساکارید (LPS) و نقش لیپید A در سمیت در غشای خارجی، فسفولیپیدهای رایج در بخش بیرونی با لیپوپلی‌ساکارید (LPS) جایگزین شده‌اند. داخلی‌ترین بخش این مولکول، لیپید A نام دارد که ساختار آن از یک لیپید دی‌ساکاریدی از جنس استیل گلوکزآمین تشکیل شده است. به این بخش، اسیدهای چرب بلندزنجیره‌ای به نام بتا-هیدروکسی مریستیک اسید متصل می‌شوند. لیپید A بخشی است که نقش اصلی را در سمیت باکتری گرم منفی بر عهده دارد و در عین حال برای حیات خود باکتری ضروری است. این ماده در گذشته اندوتوکسین نامیده می‌شد؛ به این دلیل که بخشی جدایی‌ناپذیر از ساختار باکتری است و در حالت طبیعی آزاد نمی‌شود، مگر آنکه باکتری وارد جریان خون شده و متحمل لیز (تخریب) گردد.

۱. بخش قندی بیرونی LPS و آنتی‌ژن O بخش بیرونی لیپوپلی‌ساکارید (LPS) از چند نوع قند ساخته شده است. در این ساختار، قندهایی مانند گالاکتوز، استیل گلوکزآمین و گلوکز در کنار هپتوز حضور دارند. به دلیل تفاوت‌ها و تنوعی که در ترتیب، نوع و تعداد همین قندها میان گونه‌ها و حتی سویه‌های مختلف یک باکتری وجود دارد، هر باکتری چندین نوع آنتی‌ژن سطحی پیدا می‌کند. از این تنوع آنتی‌ژنی دقیقاً برای طبقه‌بندی و شناسایی باکتری‌ها استفاده می‌شود.

۲. سرولوژی؛ روش شناسایی بر پایه تنوع آنتی‌ژنی یکی از روش‌های مبتنی بر همین تنوع، سرولوژی است. در این روش، به کمک سرم‌های حاوی آنتی‌بادی یا آنتی‌ژن‌های شناخته‌شده، باکتری‌ها شناسایی و تیپ‌بندی می‌شوند. در میان آنتی‌ژن‌های باکتری‌های گرم منفی، آنتی‌ژن سوماتیک (آنتی‌ژن O) که همان بخش قندی LPS است، نقش محوری دارد. برای نمونه، سالمونلا بر پایه تنوع همین آنتی‌ژن‌ها به ده‌ها و صدها سروتیپ گوناگون تقسیم می‌شود. نکته مهم این است که آنتی‌ژن O نباید با آنتی‌ژن H اشتباه گرفته شود؛ آنتی‌ژن H بر روی فلاژلین، یعنی پروتئین سازنده تاژک، قرار دارد و ماهیت آن با آنتی‌ژن قندی دیواره کاملاً متفاوت است.

۳. استثناها در حساسیت به پنی‌سیلین اگرچه غشای خارجی در بیشتر باکتری‌های گرم منفی به مقاومت طبیعی در برابر پنی‌سیلین می‌انجامد، اما در این قاعده استثنا هم وجود دارد. نایسریاها با وجود آنکه غشای خارجی دارند، به پنی‌سیلین حساس‌اند. در مقابل، باکتری‌های روده‌ای (مانند اعضای خانواده انتروباکتریاسه) به پنی‌سیلین مقاومت ذاتی دارند؛ یعنی این مقاومت اکتسابی نیست و بخشی از سرشت طبیعی آن‌ها محسوب می‌شود.

۴. اتصال غشای خارجی به دیواره به وسیله لیپوپروتئین غشای خارجی به کمک ساختارهای شیمیایی خاصی از جنس لیپوپروتئین به لایه پپتیدوگلیکان متصل می‌شود. این لیپوپروتئین از دو جهت پیوند برقرار می‌کند: از ناحیه پروتئینی خود به اسید آمینه سوم زنجیره تتراپپتیدی پپتیدوگلیکان (دی‌آمینوپیملیک اسید) متصل شده و از ناحیه لیپیدی خود در فسفولیپیدهای لایه درونی غشای خارجی لنگر می‌اندازد. این لیپوپروتئین‌ها افزون بر نقش ساختاری، خاصیت آنتی‌ژنی دارند و در فرایند بیماری‌زایی (پاتوژنز) نیز دخالت می‌کنند.

۵. آزادسازی اندوتوکسین و ایجاد سپسیس اندوتوکسین (لیپید A) تا زمانی که باکتری لیز نشده باشد آزاد نمی‌شود؛ بنابراین اختلالات بیولوژیکی که این ماده در بدن انسان ایجاد می‌کند، همگی از پیامدهای لیز شدن باکتری هستند. نکته قابل توجه آن است که این لیز شدن در سطح پوست یا زخم رخ نمی‌دهد؛ به همین دلیل است که چرکی شدن زخم‌های سطحی پوست را نمی‌توان مستقیماً به آزادسازی اندوتوکسین نسبت داد (مکانیسم عفونت چرکی سطحی هنوز از این زاویه کاملاً توجیه‌پذیر نیست). اگر اندوتوکسین به مقدار بسیار زیاد و ناگهانی آزاد شود، به سپتی‌سمی می‌انجامد که وضعیتی کشنده است. در واقع برای آنکه یک باکتری گرم منفی بتواند بیماری‌زا شود، اندوتوکسین آزادشده پس از لیز، سیستم کمپلمان را فعال می‌کند و از همین مسیر آبشار التهابی و پاسخ‌های سیستمیک بدن آغاز می‌شود.

۱. اثر LPS بر سلول‌های اندوتلیال عروق لیپوپلی‌ساکارید در برخی شرایط با اجزای دیگر ترکیب شده و کمپلکس جدیدی ایجاد می‌کند که مستقیماً روی سلول‌های اندوتلیال (پوشاننده جدار داخلی عروق) اثر می‌گذارد. علت این اثر نیز پیش‌تر توضیح داده شده است. پیامدهای اصلی این برهم‌کنش عبارت‌اند از: چسبیدن پلاکت‌ها به یکدیگر (تجمع پلاکتی) که روند انعقاد را فعال می‌کند. اتصال لکوسیت‌ها به جدار عروق که زمینه نفوذ سلول‌های التهابی به بافت را فراهم می‌آورد. این تغییرات عروقی در درصد قابل توجهی از بیماران مبتلا به عفونت‌های باکتری‌های گرم منفی دیده می‌شود. ۲. انعقاد داخل عروقی منتشر (DIC) اگر بیماری که دچار این تغییرات عروقی شده است تحت درمان مناسب قرار نگیرد، به انعقاد داخل عروقی منتشر (DIC) مبتلا می‌شود. در این حالت، فعال‌سازی گسترده و هم‌زمان پلاکت‌ها و فاکتورهای انعقادی، ابتدا لخته‌های ریز و پراکنده‌ای در عروق کوچک ایجاد می‌کند و در ادامه، به دلیل مصرف شدن عوامل انعقادی، زمینه خونریزی‌های منتشر نیز فراهم می‌شود؛ وضعیتی خطرناک و پیچیده که می‌تواند حیات بیمار را تهدید کند. ۳. تفاوت باکتریمی، سپتی‌سمی، سپسیس و پیمی میان اصطلاحات مربوط به حضور باکتری در خون باید دقت کرد، چرا که از نظر بالینی با یکدیگر متفاوت‌اند: باکتریمی: ورود باکتری به جریان خون است که می‌تواند گذرا و بدون علامت باشد. سپتی‌سمی: حالتی است که در آن باکتری وارد خون شده و علائم بالینی بروز پیدا می‌کند. سپسیس: اصطلاحی شدیدتر است که در اثر تجمع زیاد باکتری‌ها در خون و پاسخ التهابی سیستمیک گسترده بدن ایجاد می‌شود و می‌تواند به نارسایی ارگان‌ها و شوک سپتیک منجر گردد. پیمی (Pyemia): وضعیتی که در آن خون به اصطلاح «چرک نشسته» است؛ یعنی علاوه بر باکتری، تجمع چرک (نوتروفیل‌ها و بافت تخریب‌شده) نیز در جریان خون وجود دارد.

متابولیسم باکتری‌ها، مانند همه موجودات زنده، از دو دسته واکنش‌های متضاد اما مکمل تشکیل شده است: آنابولیسم و کاتابولیسم. در مطالعه متابولیسم میکروبی، تفاوت این دو گروه واکنش و جهت‌گیری انرژی در هر یک بررسی می‌شود. ۱. واکنش‌های آنابولیک (Anabolism) در این واکنش‌ها، مولکول‌های کوچک و ساده به یکدیگر متصل شده و ماکرومولکول‌های بزرگ و پیچیده ساخته می‌شوند. ویژگی اصلی آنابولیسم آن است که برای انجام این فرایند، انرژی مصرف می‌شود. به بیان دیگر، آنابولیسم فرایندی انرژی‌خواه است که در جریان آن پیوندهای شیمیایی جدید تشکیل می‌شود و مولکول‌های سازنده سلول (مانند پروتئین‌ها، اسیدهای نوکلئیک و پلی‌ساکاریدها) ساخته می‌شوند. ۲. واکنش‌های کاتابولیک (Catabolism) در نقطه مقابل، واکنش‌های کاتابولیک مسیری تجزیه‌ای را طی می‌کنند. در این واکنش‌ها ماکرومولکول‌های پیچیده شکسته شده و به مولکول‌های کوچک‌تر و ساده‌تر تبدیل می‌شوند. مهم‌ترین ویژگی کاتابولیسم آن است که در جریان آن انرژی آزاد می‌شود. این انرژی همان منبعی است که سلول باکتری آن را ذخیره کرده و برای انجام واکنش‌های آنابولیک و سایر فعالیت‌های حیاتی خود به کار می‌گیرد. در واقع، آنچه در کاتابولیسم رخ می‌دهد، شکسته شدن پیوندهای شیمیایی و رهاسازی انرژی نهفته در آن‌هاست. به این ترتیب، آنابولیسم و کاتابولیسم دو روی یک سکه‌اند: انرژی آزادشده از واکنش‌های کاتابولیک، سوخت لازم را برای واکنش‌های آنابولیک فراهم می‌کند و این تعادل، اساس ادامه حیات باکتری است.

برخی از مسیرهای بیوشیمیایی در باکتری‌ها هم‌زمان شامل واکنش‌های کاتابولیک و آنابولیک هستند؛ به این نوع مسیرها، مسیرهای دوگانه یا آمفی‌بولیک گفته می‌شود. یکی از مهم‌ترین نمونه‌های آن‌ها چرخه کربس است که در آن هم تجزیه مواد برای تولید انرژی رخ می‌دهد و هم پیش‌سازهایی برای ساخت ترکیبات سلولی فراهم می‌شود. عامل اصلی و تعیین‌کننده در تمام مسیرهای متابولیکی، آنزیم‌ها هستند. آنزیم‌ها یا کاتالیزورهای زیستی موادی هستند که سرعت واکنش‌های شیمیایی را افزایش می‌دهند، اما خودشان در پایان واکنش مصرف نمی‌شوند. ویژگی مهم آن‌ها این است که به‌صورت اختصاصی عمل می‌کنند؛ یعنی هر آنزیم فقط روی سوبسترای خاصی اثر می‌گذارد. آنزیم‌ها با کاهش انرژی فعال‌سازی لازم برای شروع واکنش، باعث می‌شوند فرایندهای شیمیایی با سرعت بیشتری انجام شوند. در نتیجه، متابولیسم سلول بدون حضور آن‌ها بسیار کند یا عملاً غیرممکن خواهد بود. از نظر عملکردی، انرژی برای باکتری به معنای توانایی انجام کار است. باکتری از این انرژی برای حرکت، انجام واکنش‌های آنابولیکی، انتقال و جابه‌جایی مواد و سایر فعالیت‌های حیاتی خود استفاده می‌کند.

۱. منابع انرژی فراتر از ATP انرژی در دسترس برای فعالیت‌های حیاتی سلول باکتری، منحصراً از شکستن و هیدرولیز پیوندهای پرانرژی مولکول ATP به دست نمی‌آید. یکی دیگر از اشکال بسیار مهم و حیاتی انرژی در دسترس باکتری، گرادیان الکتروشیمیایی پروتون (Proton Motive Force یا PMF) است که نقش کلیدی در فرآیندهایی مانند انتقال مواد، چرخش تاژک و سنتز خودِ ATP ایفا می‌کند.

۲. سیستم‌های انتقال مواد از عرض غشاء انتقال مواد مغذی و یون‌ها از عرض غشای سیتوپلاسمی باکتری، بر اساس نیاز به مصرف انرژی به دو دسته کلی تقسیم می‌شود: انتقال غیرفعال (Passive Transport): در این روش، مواد بدون صرف انرژی شیمیایی و صرفاً در جهت شیب غلظت یا شیب الکتروشیمیایی خود جابه‌جا می‌شوند (مانند انتشار ساده و انتشار تسهیل‌شده). انتقال فعال (Active Transport): در این روش، مواد در جهت مخالف شیب غلظت (از محیط رقیق به غلیظ) جابه‌جا می‌شوند که این عمل مستلزم صرف انرژی است. انتقال فعال خود به چند شکل صورت می‌گیرد: انتقال فعال اولیه (Primary Active Transport): اگر انرژی مورد نیاز برای انتقال مواد مستقیماً از هیدرولیز مولکول ATP (یا به طور مستقیم از زنجیره انتقال الکترون) تأمین شود، انتقال فعال اولیه نامیده می‌شود. انتقال فعال ثانویه (Secondary Active Transport): این سیستم انتقال از انرژی ذخیره‌شده در گرادیان یونی (مانند گرادیان الکتروشیمیایی پروتون یا سدیم) برای جابه‌جایی مواد استفاده می‌کند. انتقال فعال از طریق جابه‌جایی گروهی (Group Translocation): در این مکانیسم که نمونه بارز آن سیستم فسفوترانسفراز قندها (PTS) است، ماده مورد نظر در حین عبور از غشاء دچار تغییر شیمیایی (مثلاً فسفوریلاسیون) می‌شود تا نتواند مجدداً از سلول خارج شود.

۳. واکنش‌های اکسیداسیون - احیاء (Redox) بخش عمده‌ای از انرژی باکتری از طریق واکنش‌های اکسیداسیون و احیاء تأمین می‌شود. در این واکنش‌ها، جابه‌جایی الکترون میان ترکیبات مختلف صورت می‌گیرد: دهنده الکترون (عامل کاهنده یا احیاءکننده): ماده‌ای است که الکترون از دست می‌دهد و خود اکسید می‌شود. گیرنده الکترون (عامل اکسیدکننده): ماده‌ای است که الکترون را دریافت کرده و خود احیاء می‌شود. ارتباط انتقال الکترون با پروتون: از آنجا که در اکثر واکنش‌های بیوشیمیایی، انتقال الکترون به صورت هم‌زمان با انتقال پروتون (یون H+) صورت می‌گیرد، در سیستم‌های زیستی وقتی از انتقال الکترون صحبت می‌کنیم، عموماً منظور همان جابه‌جایی اتم هیدروژن (−H++e) است. این جابه‌جایی‌ها پایه و اساس زنجیره انتقال الکترون و تولید انرژی در باکتری‌ها به شمار می‌روند.

۱. واکنش‌های اکسیداسیون-احیاء (Redox) پایه و اساس کاتابولیسم، واکنش‌های اکسیداسیون-احیاء است. در این فرایندها، انتقال الکترون نقش اصلی را دارد: اکسیداسیون: ترکیبی که الکترون (یا اتم هیدروژن) از دست می‌دهد، اکسید می‌شود. به عبارت دیگر، اکسیداسیون می‌تواند با گرفتن اکسیژن یا از دست دادن هیدروژن نیز همراه باشد. مولکولی که اکسید می‌شود، معمولاً یک مولکول «دهنده الکترون» است. احیاء: ترکیبی که الکترون (یا اتم هیدروژن) دریافت می‌کند، احیاء می‌شود. یعنی مولکول اکسیژن از دست می‌دهد یا هیدروژن می‌گیرد. شرایط رشد بی‌هوازی: برای ایجاد محیط مناسب جهت رشد باکتری‌های بی‌هوازی، باید اکسیژن از محیط حذف شود. این کار با استفاده از ترکیبات «احیاءکننده» (مانند تیوگلیکولات) انجام می‌شود که اکسیژن را مصرف کرده و با پایین آوردن پتانسیل اکسیداسیون-احیاء (Redox Potential) محیط، شرایط را برای رشد این دسته از باکتری‌ها فراهم می‌کنند.

۲. مکانیسم‌های تولید ATP در باکتری باکتری‌ها در طول چرخه حیات خود، انرژی (ATP) را از سه طریق اصلی تأمین می‌کنند: فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا (Substrate-level Phosphorylation): این واکنش‌های شیمیایی، ساده‌ترین روش تولید ATP هستند. در این حالت، یک گروه فسفات به طور مستقیم از یک مولکول واسط (سوبسترا) به ADP منتقل می‌شود تا ATP ساخته شود. فسفوریلاسیون اکسیداتیو (Oxidative Phosphorylation): این فرایند بر پایه واکنش‌های الکتروشیمیایی بنا شده است. در باکتری‌ها، این واکنش‌ها در غشای سیتوپلاسمی صورت می‌گیرد (برخلاف یوکاریوت‌ها که در غشای داخلی میتوکندری انجام می‌شود). چرا اکسیداتیو؟ نام‌گذاری این فرایند به این دلیل است که انتقال الکترون‌ها از میان زنجیره انتقال الکترون، ماهیتی اکسیداسیونی دارد و در پایان، اکسیژن معمولاً به عنوان «گیرنده نهایی الکترون» عمل کرده و احیاء می‌شود. انرژی حاصل از این جریان الکترونی، یک گرادیان پروتونی ایجاد می‌کند که موتور سنتز ATP را به حرکت درمی‌آورد. فتوفسفوریلاسیون (Photophosphorylation): در این روش که مخصوص باکتری‌های فتوسنتزکننده است، از انرژی نورانی برای برانگیختن الکترون‌ها و تولید انرژی در دسترس سلول استفاده می‌شود.

۳. طبقه‌بندی مسیرهای متابولیک بر اساس گیرنده نهایی الکترون برای استخراج انرژی از ترکیبات آلی، ارگانیسم‌ها الکترون‌ها را طی زنجیره‌ای از واکنش‌های اکسیداسیون-احیاء به سمت یک «گیرنده نهایی» هدایت می‌کنند. این مسیرها بر اساس نوع این گیرنده به سه دسته تقسیم می‌شوند: تنفس هوازی (Aerobic Respiration): گیرنده نهایی الکترون، اکسیژن است. تنفس بی‌هوازی (Anaerobic Respiration): گیرنده نهایی الکترون یک ترکیب غیرآلی (به غیر از اکسیژن) مانند نیترات، سولفات یا کربنات است. تخمیر (Fermentation): گیرنده نهایی الکترون، یک ترکیب آلی (محصولات میانی خودِ مسیر متابولیک) است.

۱. مقایسه مسیرهای استخراج انرژی بر اساس گیرنده نهایی الکترون در باکتری‌ها، مسیرهای استخراج انرژی از ترکیبات آلی بر اساس نوع گیرنده نهایی الکترون به سه دسته تقسیم می‌شوند. در تخمیر، گیرنده نهایی الکترون یک ترکیب آلی است؛ یعنی محصول میانی خودِ مسیر متابولیک این نقش را بر عهده می‌گیرد. در تنفس هوازی، این گیرنده اکسیژن (O2O2​) است. در تنفس بی‌هوازی نیز الکترون‌ها به یک ترکیب غیرآلیِ غیر از اکسیژن — مانند نیترات، سولفات یا کربنات — منتقل می‌شوند. نکته‌ای که اغلب موجب سردرگمی می‌شود این است که هرچند در تنفس بی‌هوازی گیرنده نهایی الکترون اکسیژن نیست، واکنش‌های تولید ATP در آن همچنان «فسفوریلاسیون اکسیداتیو» نامیده می‌شوند؛ زیرا مکانیسم زیربنایی — یعنی عبور الکترون‌ها از زنجیره انتقال الکترون و ایجاد گرادیان پروتونی — دقیقاً همان فرایندی است که در تنفس هوازی نیز رخ می‌دهد.

۲. کاتابولیسم کربوهیدرات‌ها باکتری‌ها کربوهیدرات‌ها را به‌عنوان سه منبع حیاتی زیر اکسید می‌کنند: منبع کربن برای ساخت ترکیبات سلولی؛ منبع الکترون برای واکنش‌های اکسیداسیون-احیاء؛ و مهم‌تر از همه، منبع انرژی. رایج‌ترین کربوهیدرات مورد استفاده در سلول‌ها گلوکز است. باکتری‌ها گلوکز را از دو مسیر کلی می‌سوزانند: تخمیر و تنفس (هوازی یا بی‌هوازی).

۳. تخمیر و اجزای تشکیل‌دهنده آن تخمیر از دو مرحله تشکیل شده است: گلیکولیز: مرحله نخست و مشترک در تمام مسیرهای کاتابولیسم گلوکز. واکنش‌های متعاقب گلیکولیز: که ماهیت آن‌ها به نوع تخمیر بستگی دارد؛ مانند تخمیر اسیدی، تخمیر الکلی و انواع دیگر. نکته کلیدی: گلیکولیز مترادف با تخمیر نیست. گلیکولیز تنها مرحله اول مسیر است و تخمیر، علاوه بر گلیکولیز، شامل واکنش‌های بعدی نیز می‌شود.

۴. تولید انرژی در گلیکولیز در جریان گلیکولیز، علاوه بر تولید پیروات، انرژی نیز از دو مکانیسم مجزا تأمین می‌شود: تولید مستقیم ATP از طریق فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا: در این مرحله، گروه فسفات به‌طور مستقیم از یک مولکول واسط به ADP منتقل می‌شود. تولید NADH (کوآنزیم احیاشده): این مولکول که هم‌زمان با گلیکولیز تولید می‌شود، بعداً وارد زنجیره انتقال الکترون شده و از طریق فسفوریلاسیون اکسیداتیو به تولید ATP کمک می‌کند.

۱. نکته‌ای درباره باکتری‌های هتروتروف پاتوژن در باکتری‌های هتروتروف — و به‌ویژه گونه‌های بیماری‌زا — معمولاً یک ترکیب واحد (اغلب گلوکز) هم‌زمان سه نقش حیاتی را بر عهده می‌گیرد: به‌عنوان منبع کربن، منبع انرژی و دهنده الکترون در واکنش‌های اکسیداسیون-احیاء عمل می‌کند.

۲. نقش باکتری‌ها در چرخه نیتروژن باکتری‌ها در مراحل مختلف چرخه نیتروژن نقش‌های متفاوت و حیاتی ایفا می‌کنند: باکتری‌های نیتریفیکاسیون‌کننده: این باکتری‌ها نیتریت را به نیترات اکسید می‌کنند؛ ترکیبی که برای گیاهان قابل استفاده است. گیاهان نیز به نوبه خود نیترات را به آمونیوم تبدیل می‌کنند، یعنی همان شکلی که برای ما (و سایر جانداران) قابل استفاده است. باکتری‌های دنیتریفیکاسیون‌کننده (شوره‌بردار): این گروه نیترات را به نیتروژن گازی (N2​) احیاء می‌کنند و آن را به جو بازمی‌گردانند. نکته مهم آن است که این باکتری‌ها در جریان تنفس خود، نیترات را به‌عنوان گیرنده نهایی الکترون به کار می‌گیرند؛ بنابراین این فرایند نمونه‌ای روشن از تنفس بی‌هوازی به شمار می‌رود.

AMES

۳. باکتری‌های آکسوتروف و حداقل نیازهای تغذیه‌ای برای رشد یک باکتری، حداقل به منابع کربن، انرژی، گوگرد و نیتروژن نیاز است. اما گروهی از باکتری‌ها که آکسوتروف (Auxotroph) نامیده می‌شوند، علاوه بر این منابع پایه، به فاکتورهای رشد نیز نیاز دارند. علت این وابستگی آن است که در این باکتری‌ها، ژن‌های مربوط به سنتز ویتامین‌ها، بازهای پورینی یا اسیدهای آمینه دچار جهش شده‌اند. در نتیجه، آن‌ها توانایی تولید یک آنزیم خاص را از دست می‌دهند و در چرخه‌های متابولیکی و بیوسنتزی قادر به ساختن ماده‌ای مشخص نیستند. به همین دلیل، برای رشد این باکتری‌ها باید آن ماده‌ی خاص را به محیط کشت اضافه کرد. کاربرد مهم در میکروبیولوژی: باکتری‌های آکسوتروف پایه و اساس تست ایمز (Ames Test) هستند. در این آزمون، از این باکتری‌ها برای تشخیص جهش‌زا و سرطان‌زا بودن مواد شیمیایی استفاده می‌شود.

۱. زمینه آزمایش در این آزمایش، باکتری را به دو لوله شماره ۱ و ۲ منتقل می‌کنیم. هر دو لوله از نظر ترکیبات محیطی کاملاً مشابه محیط‌های اولیه‌اند و در هر دو، قند گلوکز به‌عنوان منبع کربن و انرژی وجود دارد. ۲. ویژگی‌های فاز لگاریتمی (Log Phase) در فاز لگاریتمی، باکتری‌ها با نسبتی ثابت رشد و تکثیر می‌کنند. البته باید دقت داشت که این نسبت، عددی ثابت و جهانی نیست؛ محیط کشت بر مقدار آن اثر مستقیم می‌گذارد. با این حال، در هر محیط مشخص، باکتری دارای یک نسبت رشد معین و قابل پیش‌بینی است. نکته‌ای که از منظر بالینی اهمیت فراوان دارد این است که در این مرحله سلول‌ها به‌شدت در حال تقسیم‌اند و به همین دلیل بیشترین حساسیت را نسبت به آنتی‌بیوتیک‌ها نشان می‌دهند؛ به‌ویژه آنتی‌بیوتیک‌هایی که دیواره سلولی را هدف می‌گیرند (مانند پنی‌سیلین). ۳. فرمول محاسبه جمعیت باکتریایی باکتری‌ها به روش تقسیم دوتایی (Binary Fission) تکثیر می‌شوند؛ یعنی هر سلول به دو سلول دختری تقسیم می‌شود. بر همین اساس، جمعیت باکتری‌ها در یک زمان معین با رابطه زیر محاسبه می‌شود: Nt=N0×2n در این رابطه: Nt​: تعداد باکتری‌ها در زمان t؛ N0​: تعداد باکتری‌ها در زمان صفر (جمعیت اولیه)؛ n: تعداد نسل‌ها (تعداد تقسیم‌های انجام‌شده). نکته مهم: این فرمول فقط در فاز لگاریتمی صدق می‌کند؛ چراکه در سایر فازها (مانند فاز تأخیری یا سکون)، نرخ رشد ثابت نیست. ۴. تعداد نسل‌ها و زمان دوبرابرشدن در طبیعت، مقدار N0​ معمولاً مجهول است؛ اما در آزمایشگاه، با شمارش باکتری‌ها پیش از تلقیح، این مقدار به‌دست می‌آید. برای مثال، فرض کنید تعداد مشخصی باکتری را به محیط کشت تلقیح کرده‌ایم و پس از گذشت ۱۱ ساعت، تعداد سلول‌ها را شمارش کرده‌ایم (Nt​ مشخص است). تعداد نسل‌ها (n) از تقسیم زمان کل بر زمان هر تقسیم (زمان دوبرابرشدن یا Generation Time) محاسبه می‌شود: n=tg n=gt​ که در آن t زمان کل رشد و g مدت‌زمان لازم برای یک تقسیم (زمان نسل) است.

۱. تعادل اسمزی و محیط ایزوتونیک برای بقای سلول باکتری، محیط اطراف آن باید از نظر اسمزی در تعادل با درون سلول باشد. اگر سلول در محیطی با غلظت مواد حل‌شونده کمتر (محیط هیپوتونیک) قرار گیرد، آب از محیط به درون سلول وارد می‌شود؛ سلول آب جذب کرده و در نهایت می‌ترکد. بنابراین سلول باید در محیط ایزوتونیک قرار داشته باشد؛ یعنی غلظت مواد حل‌شونده در داخل و خارج سلول یکسان باشد.

optimal, vibrio (, vibrio colerea )

۲. طبقه‌بندی باکتری‌ها بر اساس نیاز به نمک (NaCl) باکتری‌ها از نظر نیازمندی به نمک به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند: نمک‌دوست (هالوفیل – Halophile): حضور نمک برای رشد این باکتری‌ها ضروری است. رشد بهینه (Optimal) هالوفیل‌ها در محیط‌های نمکی با غلظت بالای نمک صورت می‌گیرد. به‌عنوان مثال، باکتری‌های خانواده ویبریو (Vibrio) — به‌غیر از عامل وبا یعنی Vibrio cholerae — هالوفیل هستند. حساس به نمک / تحمل‌کننده نمک (هالوتولرانت – Halotolerant): این گروه نمک را تحمل می‌کنند اما برای رشد به آن وابسته نیستند. بسیاری از باکتری‌های بیماری‌زا از این نوع‌اند؛ نمونه شاخص آن استافیلوکوکوس اورئوس (Staphylococcus aureus) است که نمک را به‌خوبی تحمل می‌کند. کاربرد آزمایشگاهی: از تفاوت فوق می‌توان برای ساخت محیط کشت انتخابی (Selective) بهره برد. با افزودن غلظت مشخصی از نمک به محیط، شرایطی فراهم می‌شود که هالوفیل‌ها رشد کنند و در مقابل، رشد باکتری‌های حساس به نمک مهار شود.

selective

۳. محدوده دمایی رشد باکتری‌ها دمایی که در آن باکتری بیشترین رشد را دارد، دمای بهینه (Optimum Temperature) نامیده می‌شود. بر اساس دمای بهینه، باکتری‌ها به گروه‌های مختلفی تقسیم می‌شوند: گرمادوست (ترموفیل – Thermophile): باکتری‌هایی که دمای بهینه رشد آن‌ها بالاست (دمای بهینه بالای ۵۰ درجه سانتی‌گراد). (سایر گروه‌ها مانند سرددوست‌ها و میان‌دوست‌ها نیز در همین چارچوب دسته‌بندی می‌شوند.)