background image

Lec.3

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

 

 

Bacteriology 

Cell wall Growth 

Microbial Nutrition & Growth 

Learning Outcomes: 

At the end of this lecture, the students should be able to: 

1.  Describe the process of synthesis bacterial cell wall 

2.  Define L forms 

3.  Identify the chemical and environmental factors affecting bacterial growth 

4.  Explain how microbes are classified on the basis of O

2  

needs 

5.  Explain the bacterial growth curve 

Cell wall growth

 

Cell  wall  synthesis  is  necessary  for  cell  division;  however,  the  incorporation  of 

new cell wall material varies with the shape of the bacterium. Rod-shaped bacteria 

(eg,  E  coli,  Bacillus  subtilis)  have  two  modes  of  cell  wall  synthesis;  new 

peptidoglycan is inserted along a helical path leading to elongation of the cell, and 

is inserted in a closing ring around the future division site, leading to the formation 

of  the  division  septum.  Coccoid  cells  such  as  S  aureus  do  not  seem  to  have  an 

elongation mode of cell wall synthesis. Instead, new peptidoglycan is inserted only 

at  the  division  site.  A  third  form  of  cell  wall  growth  is  exemplified  by  

pneumoniae,  which  are  not  true  cocci,  as  their  shape  is  not  totally  round,  but 

instead have the shape of a rugby ball. S pneumoniae synthesize cell wall not only 

at the septum but also at the so-called equatorial rings (Figure 1).

 


background image

Lec.3

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

 

 

Protoplasts, Spheroplasts, & L Forms 

Removal of the bacterial wall may be accomplished by hydrolysis with lysozyme 

or  by  blocking  peptidoglycan  synthesis  with  an  antibiotic  such  as  penicillin.  In 

osmotically  protective  media,  such  treatments  liberate  protoplasts  from  gram-

positive  cells  and  spheroplasts  (which  retain  outer  membrane  and  entrapped 

peptidoglycan) from gram-negative cells. 

If  such  cells  are  able  to  grow  and  divide,  they  are  called  L  forms.  L  forms  are 

difficult  to  cultivate  and  usually  require  a  medium  that  is  solidified  with  agar  as 

well as having the right osmotic strength. L forms are produced more readily with 

penicillin than with lysozyme, suggesting the need for residual peptidoglycan. 

Some  L  forms  can  revert  to  the  normal  bacillary  form  upon  removal  of  the 

inducing stimulus. Thus, they are able to resume normal cell wall synthesis. Others 

are stable and never revert. The factor that determines their capacity to revert may 

again be the presence of residual peptidoglycan, which normally acts as a primer in 

its own biosynthesis. 

Some bacterial species produce L forms spontaneously. Lead to chronic infection 

and they resist antibiotic treatment and give us a great problem in healing the focus 

of infection. 


background image

Lec.3

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

 

 

 

Figure  1:

  Incorporation  of  new  cell  wall  in  differently  shaped  bacteria.  Rod-shaped  bacteria  such  as 

Bacillus subtilis or Escherichia coli have two modes of cell wall synthesis: new peptidoglycan is inserted 
along a helical path (A), leading to elongation of the lateral wall, and is inserted in a closing ring around 
the  future  division  site, leading  to  the  formation  of the  division  septum  (B).  Streptococcus  pneumoniae 
cells  have  the  shape  of  a  rugby  ball  and  elongate  by  inserting  new  cell  wall  material  at  the  so-called 
equatorial rings (A), which correspond to an outgrowth of the cell wall that encircles the cell. An initial 
ring  is  duplicated,  and  the  two  resultant  rings  are  progressively  separated,  marking  the  future  division 
sites of the daughter cells. The division septum is then synthesized in the middle of the cell  (B). Round 

ce

o

lls  such  as  Staphylococcus  aureus  do  not  seem  to  have  an  elongation  mode  of  cell  wall  synthesis. 

Instead, new peptidoglycan is inserted only at the division septum (B)

 

Nutritional requirement for microorganisms 

The essential elements for the bacterial growth in the body of the host or on culture 

media are:  

1-Carbon  source:  Chemolithotrophs,  organisms  that  use  an  inorganic  substrate 

such  as  hydrogen  or  thiosulfate  as  a  reductant  and  carbon  dioxide  as  a  carbon 

source.  Heterotrophs  require  organic  carbon  for  growth,  and  the  organic  carbon 

must be in a form that can be assimilated. 


background image

Lec.3

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

 

 

2-Nitrogen source: Most microorganisms can use NH

3

 as a sole nitrogen source, 

and many organisms possess the ability to produce NH

3

 from amines (R—NH

2

) or 

from  amino  acids.  Many  microorganisms  possess  the  ability  to  assimilate  nitrate 

(NO

3

) and nitrite (NO

2

) reductively by conversion of these ions into NH

3

. A few 

bacteria  use  N

2

  in  nitrogen  fixation,  a  process  by  which nitrogen (N

2

)  in 

the atmosphere is converted into ammonia (NH

3

). 

3- Sulfur Source: Sulfur in its elemental form cannot be used by plants or animals. 

However,  some  autotrophic  bacteria  can  oxidize  it  to  sulfate  (SO

4

2–

).  Most 

microorganisms can use sulfate as a sulfur source, reducing the sulfate to the level 

of hydrogen sulfide (H

2

S). Some microorganisms can assimilate H

2

S directly from 

the grwth medium, but this compound can be toxic to many organisms. 

4-  Phosphorus  Source:

 

Phosphate  (PO

4

3–

)  is  required  as  a  component  of  ATP, 

nucleic  acids,  and  such  coenzymes  as  NAD  and  NADP.  In  addition,  many 

metabolites,  lipids  (phospholipids,  lipid A),  cell  wall  components  (teichoic  acid), 

some capsular polysaccharides, and some proteins are phosphorylated. Phosphate 

is always assimilated as free inorganic phosphate (P

i

). 

5-Mineral  Sources:  Numerous  minerals  are  required  for  enzyme  function.

 

Mg

2+

 

and  K

+

  are  both  essential  for  the  function  and  integrity  of  ribosomes.  Ca

2+

  is 

required as a  constituent of gram-positive  cell  walls,  though it is  dispensable for 

gram-negative bacteria. Many marine organisms require Na

+

 for growth. 

6-Growth Factors:

 

are organic compounds obtained from the environment, where 

cells  must  have  them  in  order  to  grow,  but  unable  to  synthesize  them,  like 

vitamins.

 


background image

Lec.3

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

 

 

Environmental factors affecting growth 

1.  Nutrients 

2.  pH: each organism need a certain PH for its growth. 

 Neutrophiles   6-8,  

 Acidophiles       3   

 Alkalophiles   10.5 

Majority of microorganisms grow at a pH between 6-8  

3.  Temperature:  Different  microbial  species  vary  widely  in  their  optimal 

temperature  ranges  for  growth:  Psychrophilic  (15-20

0

  C),  Mesophilic  (30-

37

0

 C), Thermophilic (50-60

0

 C). 

Some  organisms  are  hyperthermophilic  and  can  grow  at  well  above  the 

temperature of boiling water, which exists under high pressure in the depths of 

the ocean. Most organisms are mesophilic; 30°C is optimal for many free-living 

forms, and the body temperature of the host is optimal for symbionts of warm-

blooded animals. 

4.  Oxygen  (O2):  most  bacteria  require  O2  necessary  (strict  aerobes).Others  can 

live with or without O2: Facultative bacteria as  E.coil. Other requires a small 

amount  of  O2:  (microaerophilic).  The  rest  cannot  grow  in  presence  of  O2: 

anaerobic bacteria e.g., Clostridium

5.  Osmotic  Pressure:

 

cytoplasmic  membrane  and  cell  wall  protect  bacteria  cell 

from varying contents of salts in the medium .For  most species the maximum 

conc.  of  salts  is  (5-12%),  some  other  species  can  grow  in  high  conc. 

(osmophilic  bacteria)  e.g:  Staph.  aureus.  Organisms  requiring  high  salt 

concentrations  are  called  halophilic;  those  requiring  high  osmotic  pressures 

are called osmophilic


background image

Lec.3

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

 

 

Bacterial Growth 

Bacteria reproduce by binary fission, a process by which one parent cell divides to 

form two progeny cells. 

When a small number of bacteria are inoculated into a liquid nutrient medium and 

the  bacteria  are  counted  at  frequent  intervals,  the  typical  phases  of  a  standard 

growth curve can be demonstrated.   

The number of bacteria in a medium could be: 

1- A total cell count curve is based on the number of cells present that are alive or 

dead.

 

2-A viable cell count curve measures only living (viable) cells (capable of growing 

and producing a colony on a suitable growth medium). 

 The typical phases of a standard growth curve are (Figure 2): 

1-  Lag  phase:  during  vigorous  metabolic  activity  occurs  but  cells  do  not 

divide. This can last for a few minutes up to many hours. 

2-  Log (logarithmic) or exponential phase: is when rapid cell division occurs. 

There  is  liner  relationship  between  time  and  log  of  number  of  cells.  Β-

Lactam drugs, such as penicillin, act during this phase because the drugs are 

effective when cells are making peptidoglycan (i.e., when they are dividing).  

3-  Stationary  phase:  occurs  when  nutrient  depletion  or  toxic  products  cause 

growth to slow until the number of new cells produced balances the number 

of cells that die, resulting in a steady state.  

4-  Death or decline phase: decline in the number of viable bacteria. 

 


background image

Lec.3

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

 

 

 

 

Figure 2:

 

The typical phases of a standard Growth Curve 

 

Summary

 

1.  L-forms are bacterial variants that lack a cell wall  

2.  Nutrients : Macronutrients/micronutrients  

3.  Generation time: Time required for cell to divide/for population to double 

4.  The  growth  cycle  of  a  culture  of  bacteria  is  divided  into  four  phases:  lag 

phase, exponential phase, stationary phase, decline  phase  

Main References: 

1.  Jawetz, Melnick and Adelberg’s Medical Microbiology (Brooks, 

Butel,Morse). 25

th

 ed. Copyright 2010. 

2.  Levinson  W.  Review  of  Medical  Microbiology  and  Immunology.12

th

  ed. 

Copyright 2012, McGraw-Hill. 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 13 عضواً و 162 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