Citologia Microbiana - (LTC) de NUTES

Farmácia Noturno 2013
Citologia Microbiana
Fernanda Abreu
[email protected]
Introdução
1. Descoberta dos micro-organismos:
Madigan et al, 2010 (12º Ed)
- Robert Hooke: microscópio e observação de bolores
(1655)
Microscópio de Robert Hooke
Introdução
2. Descoberta de bactérias:
- Antoni van Leeuwenhoek em 1676
Microscópio de Robert Hooke
Madigan et al, 2010 (12º Ed)
Pequenos animálculos
Introdução
2. Descoberta de bactérias:
Ferdinand Cohn (fundador da Bacteriologia)
-
Botânico
-
Interesse na resistência térmica de bactérias: descrição do ciclo
de vida de Bacillus
-
Bactéria filamentosa Beggiatoa mirabilis
-
Introdução do sistema de classificação
bacteriana
Madigan et al, 2010 (12º Ed)
•
Introdução
2. Descoberta de bactérias:
-
O que motivou novas descobertas na Microbiologia?
-
Questionamento a respeito da geração espontânea;
-
Questionamento a respeito da natureza das infecções.
Louis Pasteur
Robert Koch
Introdução
3. Desenvolvimento da Microbiologia
•
Desenvolvimento de técnicas e inúmeras
descobertas: subdisciplinas da ciência básica da
microbiologia (sistemática, fisiologia, bioquímica,
genética, virologia, citologia microbiana...)
Madigan et al, 2010 (12º Ed)
Citologia Microbiana
• Bacteria / Archaea
• Eukarya
Madigan et al, 2010 (12º Ed)
Bactérias e Arqueas
coco
1. Morfologia celular
bacilo
Morfologia comuns
Arranjos de células
(geralmente específicos para gêneros)
espiroqueta
hifa
pedúnculo
Bactérias com brotamento
e apendiculadas
filamentosas
Madigan et al, 2010 (12º Ed)
espirilo
Bactérias e Arqueas
1. Morfologia celular
Outras formas
Corpos de frutificação de mixobactérias
Stella
Candidatus
Magnetoglobus multicellularis
Bactérias e Arqueas
1. Morfologia celular
Alguns grupos são imediatamente
reconhecidos pela morfologia celular
Ex.: espiroquetas
Ex.Caso clínico: Streptococcus
No entanto, geralmente, é impossível prever propriedades das células procarióticas
tendo como base somente a morfologia celular
Bactérias e Arqueas
1. Morfologia celular
Determinação na morfologia celular
•
•
Parede celular: confere forma e rigidez a célula
Citoesqueleto: MreB e crescentina
Bactérias e Arqueas
Madigan et al, 2010 (12º Ed)
2. Tamanho celular e implicações
Há grande variação no tamanho das
células
Bactérias e Arqueas
2. Tamanho celular e implicações
Maior procarioto conhecido
• Thiomargarita
– Ambientes aquáticos
ricos em H2S
– Não cultivada
– Presença de glóbulos
de enxofre
Madigan et al, 2010 (12º Ed)
Bactérias e Arqueas
2. Tamanho celular e implicações
O que faz com que a célula seja tão
grande?
- Restrições na capacidade de captação de nutrientes;
Em geral, células menores crescem mais
rapidamente que maiores: maior troca de
nutrientes por unidade de volume celular.
Maior taxa de mutações e vantagem adaptativa.
Bactérias e Arqueas
2. Tamanho celular e implicações
Limites para tamanho da célula
Mínimo: todos os componentes necessários a
sobrevivência e divisão devem estar presentes na
célula, biomoléculas essenciais.
Máximo: limitada taxa de troca de nutrientes
com ambiente
Bactérias e Arqueas
3. Membrana citoplasmática
- Definição: estrutura delgada que envolve a célula
que separa o interior da célula de seu ambiente.
- Definição: barreira de permeabilidade seletiva que
permite a concentração de metabólitos específicos e
excreção de dejetos.
- Conclusão: barreira física e de permeabilidade.
Bactérias e Arqueas
Madigan et al, 2010 (12º Ed)
3.1. Composição da membrana: bicamada
fosfolipídica
Bactérias e Arqueas
3.1. Composição da membrana: porção lipídica
Tipos de lipídeos:
- Glicolipídeos
-Glicoglicerolipídeo (mais
abundantes – glicerolípídeos com
unidades de açúcar);
-Glicoesfingolípídeos (não tem
glicerol, mas bases nitrogenadas
de cadeia longa tipo esfingosina).
-Hopanoides
Madigan et al, 2010 (12º Ed)
- Glirecolipídeos
-Fosfolipídeos (estrutura básica
da membrana); e outros
Bactérias e Arqueas
3.1. Composição da membrana:
Estabilização da membrana
Pontes de H, interações hidrofóbicas, Mg2+ e Ca2+
(interações iônicas com a carga negativa dos
fosfolipídeos).
Fluidez da membrana
Relativamente fluida
Bactérias e Arqueas
3.1. Lipídeos da membrana arqueas:
- Diferem dos encontrados em Bacteria e Eukarya;
Bactérias e Arqueas
3.1. Lipídeos da membrana arqueas:
- Não possuem ácidos graxos unidos por ligação éster ao
glicerol;
- Cadeias hidrofóbicas: unidades repetidas do hidrocarboneto
de 5 carbonos isopreno; ligação éter com glicerol.
20 carbonos
Bactérias e Arqueas
3.1. Lipídeos da membrana
arqueas:
- Arquitetura da membrana de
arqueas
Monocamada: resistente a separação. Ex.: hipertermófilas
Bactérias e Arqueas
3.2. Composição da membrana:
porção proteica
- Proteínas de membrana:
porções hidrofóbicas e hidrofílicas
- Proteínas integrais: firmemente
embebidas na membrana
- Proteínas periféricas: não estão
embebidas,
mas
associadas
às
superfícies
da
membrana.
Ex.:
lipoproteínas. Geralmente interagem
com proteínas integrais de membrana.
- Organização em segmentos:
agrupadas de acordo com sua interação
ou função celular
Bactérias e Arqueas
3.3. Composição da membrana: carboidratos
- Até 1970: glicosilação era considerado
processo exclusivo de eucariotos;
- Membrana:
- Glicoproteínas
- Glicolipídeos
Bactérias e Arqueas
3.4. Funções da membrana celular
Bactérias e Arqueas
3.5. Tipos de transporte através da membrana
A. Difusão: pequenas moléculas hidrofóbicas
Exceção: H2O:
capaz de penetrar livremente
aquaporinas: aceleram o processo
Difusão facilitada
Bactérias e Arqueas
3.5. Tipos de transporte
através da membrana
- Pq a necessidade de
transportadores?
Vida: Acúmulo de solutos
contra gradiente de
concentração
- Propriedades das ptns
transportadoras:
- Efeito de saturação
Bactérias e Arqueas
3.5. Tipos de transporte através da
membrana
- Propriedades das ptns transportadoras:
- Alta especificidade: única molécula ou classe
de moléculas (açúcares ou aa)
- Regulação de sua biossíntese pela célula: em
função tipo e concentração de nutrientes.
Ex.: determinado nutriente em concentração
muito baixa, necessita de transportador de
maior afinidade.
Bactérias e Arqueas
3.5. Transporte através da
membrana
- Proteínas
transmembrana:
• Possuem 12 domínios α-hélice
que dobram-se através da
membrana, formando um
canal;
• O evento de transporte
envolve
alteração
conformacional da proteína
transportadora
após
sua
ligação ao soluto.
Bactérias e Arqueas
3.5. Tipos de transporte através da membrana
- portador
Bactérias e Arqueas
Ptn transmembrana
3.5. Tipos de
transporte através
da membrana
Estrutura e
função das ptns
transportadoras
Bactérias e Arqueas
3.5. Tipos de transporte através da membrana
B. Transporte simples:
Energia próton motiva
Escherichia coli
Bactérias e Arqueas
3.5. Tipos de transporte através da membrana
C. Translocação de grupo: Sistema fosfotransferase
-Glicose, manose ou frutose
-Substancia transportada é quimicamente modificada
-Fosforilações e desfosforilações em cascata até o transportador real, que fosforila o açúcar
transportado
Escherichia coli
Bactérias e Arqueas
3.5. Tipos de transporte através da membrana
D.Proteínas periplasmáticas de ligação e sistema ABC
Transporte com a participação
de:
-Proteínas periplasmáticas de
ligação;
- Transportadora de membrana;
- Proteínas que hidrolisam ATP.
ABC:
ATP-binding-cassete:
cassete de ligação ATP
Transporte de: açúcares, aa,
sulfato, fosfato e metais traços.
Em bactérias Gram-positivas:
proteínas de ligação ao substrato
estão ancoradas à superfície
externa
da
membrana
citoplasmática.
Escherichia coli
Bactérias e Arqueas
3.6. Secreção em procariotos
Translocases: proteínas responsáveis pela exportação e inserção
de outras proteínas na membrana citoplasmática procariótica.
Ex.:
Sistema translocase Sec: enzimas hidrolíticas
Sistema de secreção do tipo III: secreção de toxinas por
bactérias patogênicas
Bactérias e Arqueas
4. Membranas internas
- Formadas por invaginação da membrana celular
- Possuem funções específicas envolvidas na geração de ATP
- Ex.:
- Bactérias Nitrificantes: amônia monooxigenase – oxidação da amônia
- Bactérias Fotossintéticas: bacterioclorofilas e outros pigmentos
Bactérias e Arqueas
5. Citoplasma
- Contém: proteínas, nucleóide, ribossomos,
pequenas moléculas orgânicas (aa, açúcares,
vitaminas, coenzimas,...).
- Possui alta concentração de solutos: gera
pressão de 2 atm – equivalente a pressão de
pneu de automóvel.
Bactérias
5. Citoplasma
- “Organelas”: estruturas com funções específicas
- Clorossomos:
estruturas que captam luz para fotossíntese em
bactérias verdes sulfurosas e não sulfurosas.
- Anamoxossomos: estrutura onde ocorre a oxidação da amônia;
- Carboxissomos: estruturas poliédricas que contém a enzima
ribulose-bisfosfato carboxilase oxigenase (RuBisCO); onde ocorre a fixação de
Carbono;
- Magnetossomos:
por membrana.
estrutura formada por cristal magnético envolto
Bactérias e Arqueas
6. Inclusões celulares:
- Atuam no armazenamento de energia ou reservatório
de outro constituinte;
- Vantagem do armazenamento de substâncias em
forma insolúvel: redução do estresse osmótico que
existiria se a substância fosse armazenada na forma
solúvel.
- Exemplos de inclusões:
- Polímeros de armazenamento de carbono;
- Polifosfato e enxofre;
- Inclusões magnéticas (magnetossomos).
Bactérias e Arqueas
6. Inclusões celulares:
Polímeros de armazenamento de
carbono:
- Poliidroxialcanoatos são inclusões
lipídicas comuns em bacterias;
- Grânulos de glicogênio: forma
comum
de
reserva
de
polissacarídeos;
- Sintetizadas quando há excesso de
carbono;
-Utilizados como fonte de carbono e
energia em condições de escassez.
Bactérias e Arqueas
6. Inclusões celulares:
Polifosfato e enxofre:
-
Polifosfato: grânulos de fosfato
inorgânico PO42-. São utilizados como
fonte de fosfato para síntese de
ácidos nucleicos e lipídeos e também
na produção de ATP.
-
Enxofre: produzidos durante a
oxidação de H2S; utilizados na
ausência de H2S, em que são oxidados
a sulfato. São periplasmáticos e não
citoplasmáticos.
Bactérias e Arqueas
6. Inclusões celulares:
Inclusões magnéticas (magnetossomos):
Bactérias e Arqueas
6. Vesículas de gás:
- Procariotos planctônicos
possuem vesículas de gás que
possibilitam a flutuação.
- Função: posicionamento na
coluna d’água em resposta a
fatores ambientais.
- Presentes em bactérias e
arqueas.
- Membrana da vesícula
formada por proteínas (GvpA
e GVpC): rigidez e
impermeabilidade a água e
solutos.
Bactérias e Arqueas
7. Parede celular
- Confere forma e rigidez a célula: impede lise
devido a pressão interna;
- Diferenças estruturais são utilizadas nas
reações de coloração e classificação das
bactérias;
- Gram-positivas e Gram-negativas
Bactérias
7. Parede celular
Espessa e predomínio de único tipo de molécula
Multicamadas e complexa
Bactérias
7. Parede celular
- peptidoglicano: camada
rígida
de
polissacarídeo
composto por dois
derivados de açúcares,
N-acetilglicosamina e
ácido
Nacetilmurâmico, unidos
por ligação glicosídica
β – 1,4.
Bactérias
7. Parede celular
- peptidoglicano:
• Formado também por
alguns aa (L-alanina, Dalanina,
ácido
Dglutâmico e lisina ou
ácido diaminopimélico,
que associam-se ao
polissacarídeo,
formando
o
tetrapeptídeo glicano.
Bactérias
7. Parede celular
- peptidoglicano:
• Ligação
β(1,4):
estabilidade
em
apenas 1 eixo.
• Ligações cruzadas são
necessárias
para
garantir rigidez na
direção X e Y.
Bactérias
7. Parede celular
- Ligações cruzadas:
• Interligam as cadeias de polissacarídeos;
• Ocorrem em graus diferentes nas espécies de
bactérias;
• Quanto maior o número de ligações cruzadas, maior
a rigidez;
Bactérias
7. Parede celular
- Ligações cruzadas:
Gram-negativas:
Grupo amino do DAP de uma
cadeia + grupo carboxil da Dalanina de outra cadeia.
Gram-positivas:
Ponte interpeptídica: natureza e
número de aminoácidos da
ponte variáveis.
Bactérias
7. Parede celular
- peptidoglicano:
Apresentam grande diversidade (+ de 100 tipos em 2009).
Diversidade relacionada a química das ligações cruzadas e
pontes interpeptídicas.
Bactérias
7. Parede celular
- Bactérias Gram-positivas:
-
90% da parede formada por peptidoglicana;
Possuem até 25 camadas interconectadas;
Possuem ácidos teicoidos;
Possuem ácido lipoteicoico;
Possuem Proteínas associadas a parede.
Ácidos teicoicos: são todos os
polímeros de parede celular, de
membrana citoplasmática ou
capsulares que contêm resíduos
de glicerol-fosfato ou ribitol
fosfato.
Bactérias e Arqueas
7. Parede celular
- Lisozima
protoplastos:
-
-
e
Lisozima: Enzima que cliva as
ligações glicosídicas β -1,4,
enfraquecendo a parede.
Protoplasto
Esferoplasto
Bactérias
7. Parede celular
- Bactérias que não possuem parede celular
- Micoplasmas: bactérias patogênicas; possuem esteróis na
membrana citoplasmática, o que a deixa rígida .
- Thermoplasma: arquea (lipídeos diéter e tetraéter)
Bactérias
7. Parede celular
- Bactérias Gram-negativas:
- 10% da parede formada por peptidoglicano;
- Possuem periplasma
- Possuem membrana externa;
Bactérias
7. Parede celular
- Bactérias Gram-negativas: Membrana externa
-Formada por lipopolissacarídeos
(LPS); e fosfolipídeo em uma
camada;
-Camada interna possui
lipotroteínas que ligam a
membrana externa ao
peptidoglicano
-Composição variada dependendo
da espécie;
-Componentes do LPS:
polissacarídeo O, p. cerne, lipídeo
A;
7. Parede celular
Bactérias
- Bactérias Gram-negativas: Membrana externa
- Impede a difusão de proteínas localizadas externamente a membrana
citoplasmática;
- É tóxica aos animais;
- Propriedades tóxicas relacionadas a porção do lipídeo A: endotoxina;
- Relacionada aos sintomas de infecções por patógenos (Salmonella,
Shigella e Escherichia, ...; gases, diarreia e vômito,...);
- ME é relativamente permeável a moléculas pequenas: porinas
- Porinas: canais que permitem a entrada e saída de substâncias hidrofílicas
de baixa massa molecular;
- Porinas:
- Inespecíficas: canais preenchidos por água
- Específicas: possui sítio de ligação para substâncias
estruturalmente relacionadas
Associação de 3 subunidades idênticas
Bactérias
7. Parede celular
- Bactérias Gram-negativas: Periplasma
- É o espaço situado entre a superfície externa da membrana
citoplasmática e a superfície interna da membrana externa;
- Contém alta concentração de diversas proteínas (quimiotaxia,
transporte, ptns hidrolíticas...), resultando em uma consistência
semelhante a gel.
7. Parede celular
Bactérias
- Micobactérias
- Gênero de actinobactérias patogênicas. Ex.: Mycobacterium
tuberculosis.
- Parede formada por 3 tipos de moléculas interligadas:
- peptidoglicano
- arabinogalactana
- ácido micólico (60%)
- Coram mal por Gram
- Técnica de Ziehl-Neelsen:
- técnica de coloração
para bactérias álcool-ácido resistentes.
Arqueas
7. Parede celular
- Arqueas:
- Não
possuem
peptidoglicano;
- Não
possuem
membrana externa;
- Algumas possuem
pseudomureína
Methanobacterium
Arqueas
7. Parede celular
- Arqueas:
- Algumas possuem
outros
polissacarídeos
Carregado
negativamente: ligação
a íons Na+ do
ambiente, o que
resulta na estabilização
da parede.
Halococcus
7. Parede celular
- Arqueas:
-
-
Camada S: tipo mais comum
de parede em arqueas;
Também chamada de camada
superficial paracristalina;
Formada por proteínas ou
glicoproteínas
que
apresentam
aspecto
ordenado quando observadas
ao TEM;
Também
presente
em
bactérias;
Corresponde
sempre
a
camada mais externa;
Funções: rigidez para evitar
ruptura osmótica; barreira
seletiva
(passagem
de
substância de baixa massa
molecular- ex.: evitar vírus no
ambiente);
retenção
de
proteínas
próximo
à
superfície celular.
Arqueas
Bactérias e Arqueas
8. Outras estruturas de superfície
- Camadas da superfície;
- Pili e fímbrias;
Bactérias e Arqueas
8. Outras estruturas de
superfície:
- Camadas da superfície:
formados
por
polissacarídeos
e
proteínas secretados pela célula.
- Cápsula: camada formada por
composto em matriz compacta que
exclui pequenas partículas como tinta
nanquim.
- Camada limosa: camada não tão
compacta,
facilmente
deformável,
frouxamente ligada a superfície da
célula.
Bactérias e Arqueas
8. Outras estruturas de superfície:
Funções das camadas de superfície :
- Adesão a superfícies sólidas;
- Inibição do reconhecimento e destruição da célula bacteriana
pelas células fagocitárias do sistema imune;
- Resistência a dessecação.
Bactérias e Arqueas
8. Outras estruturas de superfície:
- Pili e fímbrias: são estruturas filamentosas
proteicas que são
projetadas a partir da superfície da célula.
- Fímbrias são mais curtas e estão presentes na célula em elevado
número; os pili são semelhantes às fímbrias, porém mais longos e
presentes em menor número (uma ou poucas cópias).
Bactérias e Arqueas
8. Outras estruturas de superfície:
- Funções:
- Fímbrias: adesão
- Pili: adesão, troca genética entre células na conjugação,
motilidade celular (motilidade pulsante), secreção.
Pilus P de E.coli
Pilus T de Agrobacterium tumefaciens
Bactérias e Arqueas
8. Outras estruturas de superfície
- Prosteca ou pedúnculo:
- São extensões verdadeiras da célula, contendo citoplasma,
peptidoglicano e membrana celular.
Funções:
-Adesão,
agrupamento;
-Melhor aquisição
de absorção de
nutrientes.
Bactérias
9. Endosporos:
- Células diferenciadas de resistência produzidas
durante o processo de esporulação.
- Resistência:
calor,
dessecamento,
carência
nutricional, radiação...
Bactérias
9. Endosporos:
- Forma de dispersão de algumas bactérias;
- Bacillus e Clostridium;
*
esporo
germinação
Sinal ambiental: célula cessa o crescimento
Refringência do esporo
ativação
extrusão
Bactérias
9. Endosporos:
- Estrutura:
Apresenta camadas que não são
observadas na célula vegetativa:
•
Exospório
•
Capa do esporo
•
Parede do cerne
•
Córtex (peptidoglicano com
ligaçãoes cruzadas frouxas)
•
Cerne
(membrana
citoplasmática,
citoplasma,
ribossomos, nucleóide, e outros
constituintes celulares).
Bactérias
9. Endosporos:
- Cerne:
- Rico em acido dipicolínico (DPA)e Ca2+
- Complexo (DPA) e Ca2+ representa 10% do peso seco do esporo.
- Função do complexo:
- redução da disponibilidade de água (aumento da termoresistência, maior resistência a agentes químicos como H2O2 e
inativação de enzimas);
- estabilização do DNA contra desnaturação térmica (intercala-se
entre as bases).
DPA
Bactérias
9. Endosporos:
- Cerne:
- Rico em pequenas proteínas ácido-solúveis (PPASs);
- PPASs:
- São sintetizadas durante o processo de esporulação
- Funções:
- Ligam-se ao DNA do cerne, compactando-o e protegendo-o
contra danos causados pela radiação U.V., dessecamento e
calor seco;
- Atuam como fonte de carbono e energia na extrusão de uma
nova célula vegetativa a partir do endósporo em germinação.
Bactérias
Estágio 0: Célula vegetativa
9. Endosporos:
- O
processo
esporulação:
de
Compactação do DNA
Estágio 1
- Série de eventos
de diferenciação
celular
Divisão celular assimétrica
- Ex.:
subtilis
Septo do endósporo
cresce ao redor do
protoplasto
Estágio 2
Bacillus
(8 horas)
Estágio 3
Formação do pré-esporo
Bactérias
Estágio 3
9. Endosporos:
Síntese do exospório e córtex
Desidratação
Estágio 4
Incorporação de Ca2+
Desidratação
Produção de DAP e PPAS
Formação da capa
Estágio 5
Maturação
Estágio 6
Lise celular
Estágio 7
Endósporo livre
Bactérias e Arqueas
Momento Jurassic Park
• Por quanto tempo um endósporo pode
sobreviver?
– Amostra de 25-40 milhões de anos. Endósporo do
intestino da abelha extinta.
Conclusão dos trabalhos: Acredita-se que
os endósporos podem durar milhões de
anos.