מחזור תא חיידקי
חלוקה בינארית (Binary Fission)
חלוקה היא יכולת הריבוי - תכונה בסיסית של כל יחידה חיידקית. באורגניזמים חד-תאיים כמו חיידקים, החלוקה מגדילה את מספר התאים באוכלוסייה.
בחלוקה בינארית, כל תא מתחלק לשניים:
- התא מגדיל את עצמו
- מכפיל את ה-DNA שלו (כרומוזום מעגלי)
- מחלק את שני הכרומוזומים - אחד לכל תא בת
כאשר $n$ הוא מספר החלוקות.
רכיבי תהליך החלוקה
- הכפלה של הכרומוזום
- הכפלה של הממברנה והדופן
- הגדלת נפח התא
- יצירת מחיצה באמצע התא
- נדידת הכרומוזומים לשני קצוות התא
- חלוקה לשני תאים
זמן דור (Generation Time)
- זמן דור - הזמן מרגע היווצרות התא ועד שהוא מתחלק לשני תאי בת.
- זמן דור של אוכלוסייה - הזמן שלוקח להכפיל את כל האוכלוסייה.
משך מחזור התא אינו קבוע ותלוי בתנאי הסביבה:
- תנאים אופטימליים ← חלוקה מהירה
- תנאים לא אופטימליים ← מחזור מתארך
דוגמאות לזמני דור
| חיידק | זמן דור |
|---|---|
| E. coli | מהחיידקים המהירים ביותר |
| Mycobacterium tuberculosis | מספר שעות |
| חיידקים מסוימים | כמה ימים |
שלבי מחזור התא
1. שלב ההכנה $\text{B Period}$
- חישה של הסביבה
- הבנה מה יש ומה חסר
- סינתזה של אנזימים נדרשים
- התחלת הגדלת התא
השלב תלוי בהרכב הסביבה - מצע עשיר מקצר את השלב.
גורמים משפיעים:
- טמפרטורה לא אופטימלית
- אנטיביוטיקה שמעכבת תרגום חלבונים
2. שלב ההכפלה $\text{C Period}$
הכפלת ה-DNA מתחילה ב-מוצא ההכפלה (oriC) - רצף רגולטורי שה-DNA פולימראז מזהה.
oriC - Origin of Chromosomal replication
תהליך ההכפלה:
- DNA נפתח ויוצר מזלג הכפלה
- DNA פולימראז משלים את הגדילים החסרים
- ההכפלה מסתיימת באזור טרמינוס
יכולת ייחודית: חיידקים יכולים לפתוח מספר מזלגות הכפלה בו-זמנית כדי לזרז את התהליך.
3. שלב ההשלמה $\text{D Period}$
- יצירת מחיצה המפרידה בין התאים
- בניית קרום ודופן לכל תא בת
- בגרם חיוביים - דופן עבה יותר (לוקח יותר זמן)
- בגרם שליליים - ממברנה חיצונית + פנימית + דופן באמצע
אנטיביוטיקה הפוגעת בסינתזת הדופן יכולה לעצור את חלוקת התא.
עקומת גידול (Batch Culture)
במערכת סגורה (ללא הוספת מזון וללא הסרת פסולת) נוצרים ארבעה שלבי גידול:
מספר חיידקים (log)
↑ Stationary
│ ╭────────╮
│ ╱ ╲ Death
│ ╱Log ╲
│ Lag ╱
│───────╱
└────────────────────────────→ זמן
| תמותה | עמידה |לוג | לאג |
1. שלב ההמתנה - לאג (Lag Phase)
- אין שינוי במספר החיידקים
- שלב אדפטציה - החיידקים בודקים את הסביבה
- סינתזת אנזימים נדרשים
- הגדלת גודל התא (לא כמות)
השפעת תנאי המצע על אורך שלב הלאג:
- העברה למצע עני ← שלב מתארך
- העברה למצע עשיר ← שלב מתקצר
- בתעשייה שומרים על אותו מצע עשיר
2. שלב הגידול הלוגריתמי (Log Phase)
- כל החיידקים מכפילים את עצמם
- קצב חלוקה קבוע
- יחס DNA:חלבון:RNA קבוע
- מספיק משאבים לכולם
Shift Up - העברה ממצע בסיסי למצע עשיר:
- עלייה בקצב ייצור RNA
- עלייה בייצור חלבונים
- עלייה בהכפלת DNA
Shift Down - העברה ממצע עשיר למצע עני ← עיכוב בסינתזה
3. שלב העמידה (Stationary Phase)
אין שינוי במספר החיידקים. גידול לא מאוזן.
סיבות למעבר לשלב זה:
- אזילת משאבים/מזון
- צפיפות גבוהה
- הצטברות חומרי פסולת
- שינוי ב-$\text{pH}$
- ירידה ברמת חמצן
Quorum Sensing - תקשורת חישה בין חיידקים:
- חיידקים מפרישים מולקולות אוטואינדוסר
- ככל שיש יותר חיידקים, רמת המולקולות עולה
- מעל סף מסוים ← סיגנלים לעצור גידול
תגובות החיידק:
- מעבר למצב רדום
- יצירת ביופילם
- יצירת נבגים (ספורה)
שינויים בתא:
- הקשחת הדופן (מניעת חדירת חומרים רעילים)
- ירידה בפלואידיות של הממברנה
- קונדנסציה של ה-DNA
- הפסקת שעתוק חלבונים לא חיוניים
- שבירות ב-DNA וב-RNA
- הקטנת יחס שטח פנים לנפח
4. שלב התמותה (Death Phase)
- התאים מפסיקים להתחלק ומתים
- חלק קטן עשוי להתאושש אם יועברו למצע חדש בזמן
תרבית רציפה - כימוסטט (Chemostat)
במקום מערכת של תרבית סגורה, ניתן להשתמש בכימוסטט - מכשיר לגידול רציף של חיידקים בתעשייה:
- הזנה קבועה של מצע טרי
- סילוק קבוע של מצע ישן + פסולת
- שמירה על האוכלוסייה בשלב לוגריתמי
השפעות סביבתיות על גידול חיידקים
טמפרטורה
לכל חיידק יש:
- טמפרטורה אופטימלית - גידול מיטבי
- טמפרטורה מינימלית - הנמוכה ביותר לגידול
- טמפרטורה מקסימלית - הגבוהה ביותר לגידול
השפעת טמפרטורה גבוהה:
- דנטורציה של חלבונים ואנזימים
- אתר פעיל לא יכול לקשור סובסטרט
השפעת טמפרטורה נמוכה:
- הקשחה של ממברנה וחלבונים
- האטת/עצירת תהליכים
סיווג חיידקים לפי טמפרטורה
| קבוצה | טמפרטורה מועדפת |
|---|---|
| פסיכרופילים | קרה |
| מזופילים | טמפרטורת גוף $(\sim37° \, \mathrm{C})$ |
| תרמופילים | חמה |
| היפרתרמופילים | חמה מאוד |
התאמות לטמפרטורות קיצוניות
פסיכרופילים (קור):
- ממברנה עם חומצות שומן בלתי רוויות וקצרות ← יש לנו כיפוף, הן פחות צפופות וקרובות אחת לשנייה
- ממברנה נוזלית יותר מראש (גם אם היא קשה היא פחות תתקשח מחיידק רגיל)
- חלבונים גמישים יותר
- חלבוני Cold Shock Proteins
- יותר חומצות אמיניות פולריות?
תרמופילים (חום):
- חומצות שומן רוויות וארוכות
- ממברנה צפופה וקשיחה יותר
- חלבונים יציבים יותר
- חלבוני Heat Shock Proteins - מגינים על מקרו מולקולות כדי למנוע דנטורציה
השפעה על מרכיבי התא
ממברנה:
- טמפרטורה נמוכה ← הקשחה, חומצות שומן צפופות
- טמפרטורה גבוהה ← נזילות מוגברת, התרחקות חומצות שומן
חלבונים:
- טמפרטורה גבוהה ← דנטורציה
- טמפרטורה נמוכה ← הקשחה, אובדן פעילות
DNA/RNA:
- טמפרטורה גבוהה ← דנטורציה, הפרדת גדילים
- טמפרטורה נמוכה ← הקשחה, עצירת שעתוק
חמצן
סיווג חיידקים לפי יחס לחמצן
| קבוצה | יחס לחמצן |
|---|---|
| אירובים אובליגטוריים | חייבים חמצן |
| אנאירובים אובליגטוריים | חמצן רעיל להם |
| אנאירובים פקולטטיביים | יכולים עם/בלי חמצן |
| אירוטולרנטיים | לא משתמשים בחמצן אך הוא לא מזיק |
| מיקרואירופילים | צריכים חמצן בריכוז נמוך |
מבחן Thioglycolate - מבחנה עם גרדיאנט חמצן:
- למעלה - ריכוז חמצן גבוה
- למטה - ריכוז חמצן אפסי
לפי מיקום הגידול ניתן לזהות את סוג החיידק.
דוגמה קלינית: Clostridium difficile - אנאירוב אובליגטורי הגורם לשלשולים.
התאמות לחמצן:
- אנזימים לפירוק רדיקלים חופשיים של חמצן
- מבחן קטלאז - בודק נוכחות אנזים המפרק מי חמצן
רמת חומציות ($\text{pH}$)
לכל חיידק יש $\text{pH}$ אופטימלי. רוב הפתוגנים מעדיפים $\text{pH}$ נייטרלי.
סיווג לפי $\text{pH}$
| קבוצה | $\text{pH}$ מועדף |
|---|---|
| אצידופילים | חומצי (נמוך) |
| נייטרופילים | נייטרלי |
| אלקלופילים | בסיסי (גבוה) |
השפעות $\text{pH}$ קיצוני:
- $\text{pH}$ נמוך ← כניסת יוני מימן לתא
- $\text{pH}$ גבוה ← יציאת יוני מימן מהתא
- שינוי במטען החשמלי של חלבונים
- פגיעה בפוטנציאל הממברנה
- שינוי בזמינות חומרים
התאמות:
- בופרים פנימיים לנטרול
- התאמת מטען חשמלי של חלבונים
- שינויים בהרכב חומצות השומן בממברנה
אוסמולריות (ריכוז מומסים)
סביבה היפוטונית (ריכוז מומסים נמוך בחוץ):
- מים נכנסים לתא
- לחץ טורגור על הדופן
סביבה היפרטונית (ריכוז מומסים גבוה בחוץ):
- מים יוצאים מהתא
- התכווצות התא
סיווג לפי יכולת עמידות במליחות
| קבוצה | יכולת |
|---|---|
| לא-הלופילים | לא עמידים למלח גבוה |
| הלוטולרנטיים | סובלים מלח |
| הלופילים קיצוניים | חיים בריכוזי מלח גבוהים מאוד |
התאמות:
- משאבות יונים ספציפיות
- שמירה על ריכוז אשלגן גבוה בתא
- שינויים בדופן ובממברנה
- מומסים קומפטיבליים לייצוב אנזימים
תגובות לתנאי עקה
1. תמותה
חיידקים שהגיעו לנקודת אל-חזור.
2. ביופילם (Biofilm)
- אוכלוסיות חיידקים נדבקות זו לזו ולמשטחים
- מפרישות מטריקס חלבוני
- פעילות מטבולית מופחתת
- עמידות גבוהה לאנטיביוטיקה
סכנה קלינית:
- יכולים להיווצר על קטטרים ואמצעים פולשניים
- קשה לטפל
- יכולים להשתחרר וליצור זיהום במקום אחר
3. נבגים (Spores) - אנדוספורות
מבנה רדום, עמיד מאוד ל:
- חום וקור
- יובש
- קרינה
- אנטיביוטיקה
- חומרי חיטוי רגילים
תהליך יצירת הנבג (ספורולציה)
- חישה בתנאי עקה
- הכפלת DNA
- חלוקה א-סימטרית:
- תא אם (Mother Cell) - גדול, מספק משאבים
- פרה-ספור - קטן, יהפוך לנבג
- תא האם עוטף את הפרה-ספור
- בניית מעטפות מגנות
- ליזיס של תא האם
- שחרור הנבג לסביבה
נביטה (Germination)
כשהתנאים משתפרים, הנבג יכול לנבוט חזרה לחיידק פעיל.
דוגמה קלינית - Clostridioides difficile:
- גורם לשלשולים קשים בבתי חולים
- מתרבה כשהמיקרוביום נפגע מאנטיביוטיקה
- יוצר נבגים העמידים בסביבה
- כ-23% מהחולים חווים הישנות
- דורש חומרי חיטוי מיוחדים
- קשה מאוד לטיפול
סיכום
גידול חיידקים מושפע ממגוון גורמים סביבתיים. הבנת הגורמים הללו חשובה:
- לגידול חיידקים במעבדה
- להבנת מנגנוני פתוגניות
- לפיתוח אסטרטגיות טיפול
- למניעת זיהומים