مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

00

 

Lecture 3 - The Physiology of 

Metabolism and Growth in Bacteria 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fine structure of Both: The Cell Wall of Gram-Positive Bacteria

 (left) and the

 Cell Wall

 

of Gram-Negative Bacteria (right)

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

06

 

Types of Metabolism  

Metabolism is the totality of chemical reactions occurring 
in bacterial cells. They can be subdivided into anabolic 
(synthetic) reactions that consume energy and catabolic 
reactions that supply energy. In the anabolic, endergonic 
reactions, the energy requirement is consumed in the form 
of light or chemical energy—by photosynthetic or 
chemosynthetic bacteria, respectively. Catabolic reactions 
supply both energy and the basic structural elements for 
synthesis of specific bacterial molecules. Bacteria that 
feed on inorganic nutrients are said to be lithotrophic, 
those that feed on organic nutrients are organotrophic. 
Human pathogenic bacteria are always chemosynthetic, 
organotrophic bacteria (or chemo-organotrophs).

  

Catabolic Reactions     

Organic nutrient substrates are catabolized in a wide 
variety of enzymatic processes that can be schematically 
divided into four phases: 

 

Digestion

.  Bacterial exoenzymes split up the nutrient 

substrates into smaller molecules outside the cell. The 
exoenzymes represent important pathogenicity factors in 
some cases. 

 

Uptake

. Nutrients can be taken up by means of passive 

diffusion or, more frequently, specifically by active 
transport through the membrane (s). Cytoplasmic 
membrane permeases play an important role in these 
processes. 

 

Preparation for oxidation

.   Splitting off of carboxyl 

and amino groups, phosphorylation, etc. 

 

 

Oxidation.

 This process is defined as the removal of 

electrons and H+ ions. The substance to which the H2 
atoms are transferred is called the hydrogen acceptor. 

  The two basic forms of oxidation are defined by 

the final hydrogen acceptor. 

o  Respiration. Here oxygen is the hydrogen acceptor. In 

anaerobic respiration, the O2 that serves as the hydrogen 
acceptor is a component of an inorganic salt. 

o  Fermentation. Here an organic compound serves as the 

hydrogen acceptor. The main difference between 
fermentation and respiration is the energy yield, which 
can be greater from respiration than from fermentation for 
a given nutrient substrate by as much as a factor of 10. 
Fermentation processes involving microorganisms are 
designated by the final product, e.g., alcoholic 
fermentation, butyric acid fermentation, etc. 

The energy released by oxidation is stored as chemical 
energy in the form of a thioester (e.g., acetyl-CoA) or 
organic phosphates (e.g., ATP). 

  The role of oxygen. Oxygen is activated in one of 

three ways: 

o  Transfer of 4e

 to O

2

, resulting in 2 oxygen ions (2 O2

). 

o  Transfer of 2e

 to O

2

 resulting in 1 peroxide anion(1 O2 

2–

 

o  Transfer of 1e– to O2, resulting in one superoxide anion 

(1 O2 –). 
Hydrogen peroxide and the highly reactive superoxide 
anion are toxic and therefore must undergo further 
conversion immediately.  

  Bacteria are categorized as the following 

according to their O2-related behavior: 

o  Facultative anaerobes. These bacteria can oxidize 

nutrient substrates by means of both respiration and 
fermentation. 

o  Obligate aerobes. These bacteria can only reproduce in 

the presence of O2. 

o  Obligate anaerobes. These bacteria die in the presence of 

O2. Their metabolism is adapted to a low redox potential 
and vital enzymes are inhibited by O2. 

o  Aerotolerant anaerobes. These bacteria oxidize nutrient 

substrates without using elemental oxygen although, 
unlike obligate anaerobes, they can tolerate it. 

 
Basic mechanisms of catabolic metabolism. 

The principle of the biochemical unity of life asserts that 
all life on earth is, in essence, the same. Thus, the 
catabolic intermediary metabolism of bacteria is, for the 
most part, equivalent to what takes place in eukaryotic 
cells. The reader is referred to textbooks of general 
microbiology for exhaustive treatment of the pathways of 
intermediary bacterial metabolism.

 

 

Anabolic Reactions

     

 

 

It is not possible to go into all of the biosynthetic feats of 

bacteria here. Suffice it to say that they are, on the whole, 
quite astounding. Some bacteria (E. coli) are capable of 
synthesizing all of the complex organic molecules that 
they are comprised of, from the simplest nutrients in a 
very short time. These capacities are utilized in the field 
of microbiological engineering. Antibiotics, amino acids, 
and vitamins are produced with the help of bacteria. Some 
bacteria are even capable of using aliphatic hydrocarbon 
compounds as an energy source. Such bacteria can “feed” 
on paraffin or even raw petroleum. Culturing of bacteria 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

06

 

in nutrient mediums based on methanol is an approach 
being used to produce biomas in addition to many other 
ones.

 

Metabolic Regulation: Bacteria are highly efficient 
metabolic regulators, coordinating each individual 
reaction with other cell activities and with the available 
nutrients as economically and rationally as possible. 

Growth and Culturing of Bacteria 

Nutrients 

The term bacterial culture refers to proliferation of 
bacteria with a suitable nutrient substrate. A nutrient 
medium in which chemoorganotrophs are to be 
cultivated must have organic energy sources (H2 
donors) and H2 acceptors. Other necessities include 
sources of carbon and nitrogen for synthesis of specific 
bacterial compounds as well as minerals such as 
sulfur, phosphorus, calcium, magnesium, and trace 
elements as enzyme activators. Some bacteria also 
require “growth factors,” i.e., organic compounds they 
are unable to synthesize themselves. Depending on the 
bacterial species involved, the nutrient medium must 
contain certain amounts of O2 and CO2 and have 
certain pH and osmotic pressure levels.
    Growth 
factors are required in small amounts by cells because 
they fulfill specific roles in biosynthesis. The need for a 
growth factor results from either a blocked or missing 
metabolic pathway in the cells
. Growth factors are 
organized into three categories:  
1. Purines and pyrimidines: required for synthesis of 
nucleic acids (DNA and RNA). 
2. Amino acids: required for the synthesis of proteins.  
3. Vitamins: needed as coenzymes and functional groups 
of certain enzymes. 

      

Some bacteria (e.g E. coli) do not require any growth 

factors: they can synthesize all essential purines, 
pyrimidines, amino acids and vitamins, starting with their 
carbon source, as part of their own intermediary 
metabolism. Certain other bacteria (e.g. Lactobacillus
require purines, pyrimidines, vitamins and several amino 
acids in order to grow. These compounds must be added 
in advance to culture media that are used to grow these 
bacteria. The growth factors are not metabolized directly 
as sources of carbon or energy, rather they are assimilated 
by cells to fulfill their specific role in metabolism. Mutant 
strains of bacteria that require some growth factor not 
needed by the wild type (parent) strain are referred to as 
auxotrophs. Thus, a strain of E. coli that requires the 
amino acid tryptophan in order to grow would be called a 

tryptophan auxotroph and would be designated E. colitrp-.  
The function(s) of these vitamins in essential enzymatic 
reactions gives a clue why, if the cell cannot make the 
vitamin, it must be provided exogenously in order for 
growth to occur.  

Growth and Cell Death 

Bacteria reproduce asexually by means of simple 
transverse binary fission. Their numbers (n) increase 
logarithmically (n = 2G). The time required for a 
reproduction cycle (G) is called the generation time (g) 
and can vary greatly from species to species. Fast-
growing bacteria cultivated in vitro have a generation 
time of 15–30

 

minutes. The same bacteria may take 

hours to reproduce in vivo. Obligate anaerobes grow 
much more slowly than aerobes; this is true in vitro as 
well. Tuberculosis bacteria have an in-vitro generation 
time of 12–24 hours. Of course the generation time also 
depends on the nutrient content of the medium. 
      The so-called normal growth curve for bacteria is 
obtained by inoculating a nutrient broth with bacteria the 
metabolism of which is initially quiescent, counting them 
at intervals and entering the results in a semilog 
coordinate system . The lag phase is characterized by an 
increase in bacterial mass per unit of volume, but no 
increase in cell count. During this phase, the metabolism 
of the bacteria adapts to the conditions of the nutrient 
medium. In the following log (or exponential) phase , the 

cell count increases logarithmically up to about 109/ml. 
This is followed by growth deceleration and transition to 
the stationary phase due to exhaustion of the nutrients and 
the increasing concentration of toxic metabolites. Finally, 
death phase processes begin. The generation time can 
only be determined during log phase, either graphically or 
by determining the cell count (n) at two different times. 

 

Normal Growth Curve of a Bacterial Culture 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

06

 

The summary:  

Human pathogenic bacteria are 

chemosynthetic and organotrophic (chemo-
organotrophic). They derive energy from the breakdown 
of organic nutrients and use this chemical energy both for 
resynthesis and secondary activities. Bacteria oxidize 
nutrient substrates by means of either respiration or 
fermentation. In respiration, O2 is the electron and proton 
acceptor, in fermentation an organic molecule performs 
this function. Human pathogenic bacteria are classified in 
terms of their O2 requirements and tolerance as 
facultative anaerobes, obligate aerobes, obligate 
anaerobes, or aerotolerant anaerobes. Nutrient broth or 
agar is used to cultivate bacteria. Nutrient agar contains 
the inert substrate agarose, which liquefies at 100°C and 
gels at 45°C. Selective and indicator mediums are used 
frequently in diagnostic bacteriology. Bacteria reproduce 
by means of simple transverse binary fission. The time 
required for complete cell division is called generation 
time. The in-vitro generation time of rapidly proliferating 
species is 15–30 minutes. This time is much longer in 
vivo. The growth curve for proliferation in nutrient broth 
is normally characterized by the phases lag, log (or 
exponential) growth, stationary growth, and death. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 12 عضواً و 128 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل