Morfologia, Citologia e Fisiologia da célula bacteriana

MORFOLOGIA,
CITOLOGIA E
FISIOLOGIA DA CÉLULA
BACTERIANA
Profa. Francis Moreira Borges
SISTEMAS DE
CLASSIFICAÇÃO DOS
ORGANISMOS
Linnaeus
Primeiro sistema de classificação de microrganismos – 1753
(Carollus Linnaeus)
Domínio (Reino) - Divisão (filo) – Classe – Ordem – Família – Gênero –
Espécie
Domínio Animalia
(animais e protozoários)
Constituído por seres não-fotossintéticos, móveis e sem parede
celular
Plantae
(plantas, algas, bactérias e fungos)
Constituído por organismos fotossintéticos, imóveis e com parede
celular
Haeckel
Tentativa de acomodar melhor os microrganismos – 1866 (Ernest
Haeckel)
Organismos unicelulares de organização simples – terceiro reino =>
PROTISTA
Animalia
(animais)
Plantae
(plantas e algas
multicelulares)
Protista
(algas unicelulares, bactérias protozoários e
fungos)
Whittaker
Desenvolvimento da microscopia e técnicas bioquímicas – 1969
(Robert H. Whittaker)
Cinco reinos relacionados com estrutura celular e forma de obtenção de
nutrientes
Animalia (animais)
Plantae (plantas)
Protista (algas e protozoários)
Fungi (fungos)
Monera (procariotas)
ÁRVORE FILOGENÉTICA DA VIDA
Classificação dos seres vivos, de acordo com Whittaker (1969)
Woese
Sistema de classificação fundamentado no argumento de que a
divisão dos microrganismos em procariotos e eucariotos era
insuficiente – 1991 (Carl R. Woese)
Divisão dos procariotos em Archae e Bacteria - seqüência do RNAr 16S e 18S
Archaea
(procariotas)
Bacteria
(procariotas)
Eukarya (eucariotas: fungos, algas, protozoários, plantas e
animais)
As archaea são procariotas porque não possuem núcleo envolvido por membrana, mas
possuem lipídios e ácidos nucléicos ribossomais diferentes das bactérias e dos
eucariotos
ÁRVORE FILOGENÉTICA DA VIDA
Classificação dos seres vivos, de acordo com Woese (1991)
PRINCIPAIS GRUPOS DE PROCARIOTOS
Domínio Bacteria
 Grande variedade fisiológica e morfológica.
 Diferentes tipos nutricionais quanto a fonte de carbono, energia e fatores
ambientais (oxigênio, pH, temperatura e pressão osmótica) são encontrados.
 Os principais grupos filogenéticos estão agrupados em 16 filos ou divisões
Domínio Archaea
 Bactérias com características altamente especializadas capazes de resistir a
altas temperaturas, concentrações de sal e valores extremos de pH.
 Metabolizadores incomuns como redutoras de sulfato e metanogênicas.
 Os principais grupos filogenéticos estão agrupados em 2 filos. Mais 2 filos
foram descobertos e compõe formas de vida primitivas e as menores já
descobertas
Proteobactérias
Espiroquetas
Deinococos
Bactérias
hipertermófilas
Flavobactérias
DOMÍNIO EUBACTERIA
Cianobactérias
e Proclorófitas
Cytophaga
Chlamydia
Bactérias verdes
sulfurosas
Planctomyces
Nitrospira e
Deferribacter
Bactérias verdes
não-sulfurosas
Verrucomicrobios
Bactérias Gram positivas
Halófitas
Euryarchaeota
Termófilas
Metanogênicas
DOMÍNIO ARCHAE
Crenarchaeota
MORFOLOGIA BACTERIANA
BACTÉRIAS - células procariontes, constituindo os menores seres vivos e os mais simples
estruturalmente, embora complexos e diversificados do ponto de vista bioquímico e
metabólico - ADAPTAÇÃO
Características básicas dos procariontes:
Ausência de compartimentos dentro da célula - metabólitos dispersos no citoplasma;
Ausência de núcleo verdadeiro - cromossomo bacteriano disperso no citoplasma
Morfologia Bacteriana:
As células bacterianas são caracterizadas morfologicamente pelo seu tamanho, forma e arranjo.
Tamanho: 0,3 /0,8 m até 10/25 m. As espécies de interesse médico variam entre 0,5 a 1,0 m por 2 a 5
m.
Forma e arranjo:
- Cocos (formas esféricas): grupo homogêneo em relação a tamanho, sendo células menores (0,8 a 1,0
m).
• Diplococos: cocos agrupados aos
pares. Ex.: Neisseria (meningococo)
• Tétrades: agrupamentos
de quatro cocos
• Estreptococos: cocos agrupados em cadeias.
Ex.: Streptococcus
• Sarcinas: agrupamento
de oito cocos em forma
cúbica. Ex.: Sarcina
• Estafilococos: cocos em grupos irregulares,
lembrando cachos de uvas. Ex.: Staphylococcus
Bacilos ou bastonetes: cilíndricos, forma de bastão, podendo ser longos ou
delgados, pequenos e grossos, extremidade reta, afilada, convexa ou
arredondada.
• Diplobacilos: bastonetes agrupados aos pares.
• Estreptobacilos: bastonetes agrupados em cadeias.
• Paliçada: bastonetes agrupados lado a lado como palitos de fósforos.
Formas helicoidais ou espiraladas: células de forma espiral.
• Espirilos: possuem corpo rígido e se movem às
custas de flagelos externos, dando uma ou mais
voltas espirais em torno do próprio eixo.
• Espiroquetas: são flexíveis e locomovem-se às custas de
filamentos axiais (flagelos periplasmáticos), podendo das
várias voltas completas em torno do próprio eixo. Ex.: Gênero
Treponema
Formas de transição
• Bacilos muito curtos: cocobacilos. Ex.: Prevotella
• Espirilos muito curtos, assumindo formas de
vírgula: vibriões. Ex.: Vibrio cholerae
CITOLOGIA BACTERIANA
A observação interna das estruturas celulares dá-nos uma idéia de como a
bactéria funciona no ambiente. A figura a seguir representa as diversas estruturas
bacterianas:
ESTRUTURAS CELULARES EXTERNAS
Flagelos
Estruturas especiais de locomoção, constituídas pela proteína flagelina, que formam
longos filamentos que partem do corpo da bactéria e se estendem externamente à parede
celular.
O flagelo propulsiona a bactéria por movimento rotatório => dependente de energia
fornecida pela diferença de potencial de membrana (fluxo de íons H).
A proteína flagelar antígeno H é útil para diferenciar entre os sorovares (variações dentro
de uma mesma espécie G-) Ex: E. coli
Distribuição dos flagelos: atríquias (sem flagelo)
a) monotríquio
b) anfitríquio
c) lofotríquio
b) peritríquio
Fímbrias
Estruturas filamentosas mais curtas e delicadas que os flagelos, semelhantes a
pêlos, que se originam da membrana plasmática, e são usados para fixação, e
não para motilidade.
São constituídas por uma proteína denominada pilina.
Estão relacionadas com a aderência às superfícies mucosas (fímbrias comuns)
=> colonização.
Pili
São mais longos que as fímbrias, havendo um ou dois por célula. Une as
células para transferência de DNA de uma célula para outra.
Pili F => relacionado com a transferência de material genético durante a
conjugação bacteriana (fímbrias ou pili sexual – codificadas pelo plasmídeo F).
Pili sexual
Fímbria comum
Cápsula
Camada que circunda a célula bacteriana externamente a parede celular, de consistência
viscosa e de natureza polissacarídica (polissacarídeo extracelular) ou polipeptídica.
Pode ser evidenciada por métodos especiais de coloração (tinta nanquim).
Funções: proteção da célula bacteriana contra desidratação, permitir a fixação da bactéria
em várias superfícies, evitar a adsorção de bacteriófagos na célula bacteriana.
Relacionada à virulência da bactéria, pois confere resistência à fagocitose pelas células
de defesa do corpo – em uma mesma espécie, amostras encapsuladas são mais virulentas
que as não-encapsuladas – AUMENTA A CHANCE DE INFECÇÃO.
Parede Celular
 Estrutura rígida que recobre a membrana citoplasmática e dá forma às
células, além de proteção, mantendo a pressão osmótica intrabacteriana e
prevenindo expansão e eventual rompimento da célula.
 Composição: peptidioglicano (mucopeptídeo ou mureína) – estrutura rígida
da parede:
N-acetilglicosamina (NAG)
ácido N-acetilmurâmico (NAM)
tetrapeptídeo (4 aminoácidos)
Devido as propriedades da parede celular, as bactérias podem ser divididas em dois grandes
grupos: GRAM POSITIVAS e GRAM NEGATIVAS, de acordo com a sua resposta à coloração de
GRAM.
PAREDE DAS GRAM POSITIVAS
 Possuem maior quantidade de peptidioglicano, o que torna a parede dessas
bactérias mais espessa e rígida.
 Composta por peptidioglicano e ácidos teicóicos (cadeias de polifosfato com
resíduos de ribitol e glicerol) ou ácidos lipoteicócicos.
Ácidos teicóicos
Peptideoglicano
Membrana citoplasmática
Citoplasma
Os ácidos teicóicos/lipoteicóicos estão ligados ao peptidioglicano APENAS nas
bactérias Gram positivas, nunca nas Gram negativas.
PAREDE DAS GRAM NEGATIVAS
 Mais complexa - a quantidade de peptidioglicano é menor, e possui uma
membrana externa envolvendo a fina camada de peptidioglicano, que se situa no
espaço periplasmático.
 MEMBRANA EXTERNA: Serve como barreira seletiva que controla a
passagem de algumas substâncias.
Estrutura: bicamada assimétrica, contendo fosfolipídios, semelhante à MP.
• Internamente => camada de fosfolipídeos e lipoproteína, que está ancorada ao
peptidioglicano.
• Externamente => camada impermeável de lipopolissacarídeo (LPS) – molécula
anfipática.
A membrana externa das bactérias Gram negativas contém proteínas
(OMP), que formam canais por onde penetram diversas substâncias.
Lipopolissacarideo
Membrana externa
Espaço periplasmático
lipoproteínas
e
Peptideoglicano
Espaço periplasmático
Membrana
citoplasmática
Citoplasma
Essas proteínas presentes na membrana externa das Gram negativas
constituem aprox. 50% da membrana, não relacionadas com as proteínas
da MP, e possuem diversas funções.
LPS
3 segmentos ligados covalentemente: lipídio A, cerne do polissacarídeo e antígenos O.
A porção lipídica do LPS é também chamada de ENDOTOXINA.
O LPS pode ser tóxico, causando febre, diarréia, destruição de hemácias e
um choque potencialmente fatal. Efeito protetor nas bactérias Gram
negativas intestinais (resistência à solubilização pelas enzimas intestinais e
bile).
Implicação da estrutura da parede celular bacteriana - COLORAÇÃO DE GRAM
Baseado nas propriedades da parede celular (substâncias lipídicas na camada externa)
• 1884 – Hans Christian Joachim Gram
Experimentos com pneumococos – corantes
seletivos para bactérias
Desenvolvimento de um protocolo de
coloração de esfregaços bacterianos
Permitiu a divisão destes organismos em 2
grandes grupos - visualização por microscopia
óptica
 Revolução no diagnóstico das doenças
infecciosas.
PAREDE CELULAR DAS MICOBACTÉRIAS
Bacilos aeróbios, imóveis, não-formadores de esporos, de parede celular complexa rica
em lipídios e ceras, especialmente ácidos micólicos que são ligados covalentemente a
lipidios acil (ácidos arabnogalactamicos). Causadores da tuberculose e da lepra.
Estrutura da parece celular:
A parede celular das micobactérias é responsável por muitas características das
bactérias (por exemplo, ácido resistência, crescimento lento, resistência aos
detergentes, resistência aos antibióticos comuns).
Nutrientes solúveis em água entram nas células através de porinas.
Os diferentes lipídios da parede celular das micobactérias formam uma bicamada assimétrica
com cadeias curtas de glicerol-fosfolipídios que atuam como barreira a substâncias aquosas
tornando a superfície celular hidrofóbica e resistente a numerosos desinfetantes, álcoois e
ácidos.
Porina
Arabnogalactose
LPS
Lipídios acil
(ceras)
Gram +
Peptídeoglicano
Ácido
Micólico
Bi-camada
lipídica
Glicolipídio
(lipoarabnomanana)
Gram -
Micobacterias
Membrana Citoplasmática
Aproximadamente 10 nm e separa a parede celular do citoplasma. É constituída
de fosfolipídeos e proteínas.
Desempenha importante papel na permeabilidade seletiva da célula – funciona
como barreira osmótica.
Difere da membrana citoplasmática dos eucariotos por:
- não apresentar esteróis (colesterol) em sua composição;
- ser sede de numerosas enzimas do metabolismo respiratório => (MESOSSOMO);
- controlar a divisão bacteriana através do mesossomo.
ESTRUTURAS CELULARES INTERNAS
Área citoplasmática
 Citoplasma: 80 % de água, ácidos nucléicos, proteínas, carboidratos, compostos de
baixo peso molecular, lipídios, íons inorgânicos. Sítio de reações químicas.
 Ribossomos: ligados a uma molécula de mRNA, são chamados de poliribossomos.
Presentes em grande número nas células bacterianas. São menores – ribossomos 70S
 Grânulos de reserva (inclusões): os procariotos podem acumular no citoplasma
substâncias sob a forma de grânulos, constituídos de polímeros insolúveis (ex.: grânulos de
glicogênio, amido, lipídios, polifosfato, enxofre e óxido de ferro) .
Área citoplasmática
 Ribossomos: ligados a uma molécula de mRNA, são chamados de poliribossomos.
Presentes em grande número nas células bacterianas. São menores – ribossomos 70S
Responsáveis pela síntese proteica
Alvo de ação de antibióticos (ex: cloranfenicol e eritromicina)
Área nuclear
 Nucleóide: cromossomo bacteriano, constituído por uma única molécula dupla fita circular
de DNA não delimitado por membrana nuclear e sem a presença de histonas. Contém as
informações necessárias à sobrevivência da célula e é capaz de replicação.
 Elementos extracromossomais
Plasmídeos:, moléculas menores de DNA, dupla fita, circulares, cujos genes não
codificam características essenciais, mas podem conferir vantagens seletivas para as
bactérias que os possuem (ex.: genes de resistência a antibióticos, metais tóxicos,
produção de toxinas, etc). Auto-duplicação independente do cromossomo bacteriano, e
podem existir várias cópias dentro da célula.
Esporos
Também chamados de endosporos (porque se formam dentro da célula).
Esporos contém pouca água no citoplasma, possuem parede celular muito
espessa, são altamente resistentes a agentes físicos e químicos, devido a sua
capa impermeável de proteína tipo queratina (associado ao cálcio) e presença de
ácido dipicolínico.
Função: proteção da célula vegetativa das adversidades do meio ambiente
(limitação de nutrientes, temperatura, e dessecação). Sua formação leva em torno
de 6 horas.
Têm pouca atividade metabólica, pode permanecer latente por longos períodos forma de sobrevivência, e não de reprodução. Ex. Bacillus e Clostridium.
Endosporos verdadeiros encontrados em bactérias gram positivas.
FISIOLOGIA BACTERIANA
As células procarióticas são compostas por água, macromoléculas,
apresentando também uma menor quantidade de outros compostos
orgânicos e íons.
Todos os organismos vivos necessitam de compostos para sua nutrição,
crescimento e multiplicação. Esses compostos são utilizados para a formação
dos constituintes celulares e na obtenção de energia.
VIAS ANABÓLICAS E CATABÓLICAS
Dentro da célula bacteriana ocorrem reações químicas catalisadas por enzimas.
O conjunto de transformações da matéria orgânica é denominado
METABOLISMO e compreende basicamente dois processos:
Quebra
de
compostos
orgânicos
complexos
em
compostos mais simples, com
liberação de energia. Ex.:
Degradação do açúcar.
CATABOLISMO
Construção
de
moléculas
orgânicas complexas a partir
de moléculas simples, com
gasto
de
energia.
Ex.:
formação das proteínas.
ANABOLISMO
NUTRIÇÃO DOS MICRORGANISMOS
Os microrganismos necessitam de um ambiente propício com todos os
constituintes físicos e químicos necessários para seu crescimento. As substâncias
ou elementos retirados do ambiente são utilizadas como blocos para a construção
da célula.
NUTRIENTES
Os nutrientes podem ser de vários tipos, dispostos em três categorias, de
acordo com a sua concentração e importância na célula bacteriana:
macronutrientes, micronutrientes e fatores de crescimento.
MACRONUTRIENTES
Macronutrientes
Funções
gramas
Carbono (Compostos orgânicos, CO2)
Oxigênio
(O2, H2O, comp. orgânicos)
Nitrogênio (NH4, NO3, N2, comp. org.)
Hidrogênio (H2, H2O, comp. Orgânicos)
Constituintes de carboidratos, lipídeos, proteínas
e ácidos nucléicos
Fósforo (PO4)
Enxofre (SO4, HS, S, comp. enxofre)
mg
Potássio (K+)
Atividade enzimática
Cálcio (Ca2+)
Resistência ao calor do endosporo
Magnésio (Mg2+)
Cofator de enzimas, complexos com ATP,
estabiliza ribossomos e membranas
Ferro (Fe2+/Fe3+)
Constituição de citocromos, cofator de enzimas,
cofator de proteínas transportadores de elétrons
MICRONUTRIENTES
Manganês
FATORES DE CRESCIMENTO
São compostos que alguns tipos celulares necessitam em quantidades muito
pequenas.
Embora a maioria dos microrganismos seja capaz de sintetizá-los, alguns
microrganismos necessitam que eles sejam adicionados ao meio de cultura.
Estes compostos entram na composição das células ou de precursores dos
constituintes celulares.
Aminoácidos
Purinas e pirimidinas
Colesterol
Vitaminas
Vitaminas requeridas pelos
microrganismos e suas funções
FONTES DE CARBONO E ENERGIA PARA O
CRESCIMENTO BACTERIANO
As bactérias, de acordo com a fonte de carbono e de energia que utilizam,
podem ser classificadas em diferentes tipos nutricionais:
CARBONO
HETEROTRÓFICOS
AUTOTRÓFICOS
Microrganismos que
utilizam
carbono
orgânico
Microrganismos que
utilizam
carbono
inorgânico (CO2)
ENERGIA
FOTOTRÓFICOS
QUIMIOTRÓFICOS
Microrganismos que Microrganismos que
energia
utilizam
energia utilizam
química (compostos
radiante (luz)
químicos)
Diversidade Metabólica entre os organismos
Os microrganismos exibem os mais diversos mecanismos nutricionais. A nutrição
ocorre predominantemente pela absorção, através da oxidação de substâncias com
alto valor energético, preferencialmente os açúcares.
PROCESSO DE NUTRIÇÃO EM PROCARIOTOS
1) Nutrição em Gram positivos
=> Estas bactérias sintetizam uma série de exoenzimas, as quais são liberadas no meio,
clivando os nutrientes, que são captados por proteínas transportadoras.
2) Nutrição em Gram negativos
=> Devido à presença de uma membrana externa (LPS), as bactérias Gram negativas
apresentam um grande número de porinas associadas à camada lipopolissacarídica, e que
permitem a passagem de moléculas hidrofílicas, de baixa massa molecular.
=> No espaço periplasmático dessas células, são encontrados proteases, fosfatases,
lipases, nucleases e enzimas de degradacão de carboidratos.
FORMAS DE OBTENÇÃO DE ENERGIA
I – Fermentação: processo no qual os compostos orgânicos são
parcialmente degradados
Lática:
ácido lático
Alcoólica:
etanol
Aceto-butírica:
ácido butírico e acetona
Acética:
ácido acético (vinagre)
Propiônica:
ácido propiônico
=> Libera energia de açúcares (2 ATP) ou
moléculas orgânicas;
=> Não requer oxigênio (mas pode ocorrer na
presença deste);
=> Não requer o uso do ciclo de Krebs ou
cadeia de transporte de elétrons;
=> Utiliza uma molécula
aceptor final de elétrons
orgânica
como
II - Respiração
a) RESPIRAÇÃO AERÓBICA:
processo onde os compostos
orgânicos são completamente
degradados, e o O2 é o aceptor
final dos elétrons.
b) RESPIRAÇÃO ANAERÓBICA: processo no qual os compostos
orgânicos são completamente degradados, e uma molécula diferente
do O2 é o aceptor final dos elétrons (SO4, CO3, NO3, fumarato, etc)
A quantidade de ATP gerada na respiração anaeróbica varia de acordo
com o microrganismo e a via.
Devido a somente uma parte do ciclo de Krebs funcionar sob
condições anaeróbias, o rendimento de ATP nunca é tão alto
quanto o da respiração aeróbica.
REQUERIMENTOS FÍSICOS E AMBIENTAIS PARA O
CRESCIMENTO MICROBIANO
Quando falamos em crescimento microbiano no referimos ao número e não ao
tamanho das células.
Os microrganismos em crescimento estão, na
verdade, aumentando o seu número e se
acumulando em colônias
COLÔNIAS => grupos de células => visualização
sem utilização de microscópio.
CONDIÇÕES NECESSÁRIAS PARA O CRESCIMENTO MICROBIANO
Químicos
Físico-químicos (ambientais)
• Água
• Temperatura
• Macronutreintes
• pH
• Micronutrientes
• Pressão Osmótica
• Fatores de crescimento
• O2
Temperatura
Cada tipo de bactéria apresenta uma temperatura ótima de crescimento. Acima do limite,
ocorre desnaturação protéica e conseqüente morte celular. Temperaturas inferiores levam a
uma desaceleração das atividades metabólicas.
pH
A maioria das bactérias cresce melhor dentro de variações pequenas de pH,
sempre perto da neutralidade, entre pH 6,5 e 7,5.
Pressão Osmótica
A capacidade dos microrganismos se adaptar a pressões osmóticas chama-se
OSMOADAPTAÇÃO.
Os microrganismos são
frequentemente encontrados
em ambientes onde a
concentração do soluto é
igual o seu citoplasma (meio
isotônico).
• Halotolerantes: toleram altas concentrações de sais-10% NaCl
• Halofílicos: requerem altos níveis de NaCl (Vibrio cholerae).
Oxigênio
O oxigênio pode ser inócuo, indispensável ou letal para as bactérias, o que
permite classificá-las em:
OXIBIÔNTICAS
ANOXIBIÔNTICAS
Aeróbios
Anaeróbios
obrigatórios
Aeróbios
obrigatórios
Extremamente
sensíveis
Microaerófilos
Aerotolerantes
Anaeróbios
facultativos
Aeróbio
estrito
Anaeróbio
estrito
Anaeróbio Anaeróbio
facultativo aerotolerante
Por que o oxigênio é letal para os anaeróbios?
Incapacidade de eliminação ou capacidade limitada de eliminar
produtos do metabolismo do oxigênio molecular.
Redução do Oxigênio
O2 + e- = O2- (ânion superóxido)
O2 + 2 e- = H2O2 (peróxido de hidrogênio)
O2 + 3 e- = H2O + OH- (radical hidroxila)
O2 + 4 e- = H2O (água => redução total)
Espécies Reativas do Oxigênio (EROs)
Estratégias de defesa dos microrganismos: mecanismos
antioxidantes
REPRODUÇÃO BACTERIANA
As bactérias se multiplicam por DIVISÃO BINÁRIA SIMPLES, um processo devido
à formação de septos na região do mesossomo, que se dirigem da superfície para
o interior da célula, dividindo a bactéria em duas células filhas.
A fissão é precedida pela duplicação do DNA, que se processa de modo semiconservativo, e cada célula filha recebe uma cópia do cromossomo da célula-mãe.
O período da divisão celular depende do tempo de geração de cada bactéria
Tempo de geração: tempo necessário para um célula se dividir em
duas
CURVA DE CRESCIMENTO BACTERIANO
Quando uma bactéria é semeada em um meio apropriado,
nas condições apropriadas, o seu crescimento segue uma
curva definida e característica:
A – Fase LAG: pouca divisão
celular, os microrganismos
estão se adaptando ao meio
em que estão crescendo. As
células aumentam de volume,
mas não se dividem.
B – Fase exponencial (log):
crescimento
exponencial,
divisões celulares sucessivas,
grande atividade metabólica.
C
–
Fase
estacionária:
decréscimo na taxa de divisão
celular, onde a velocidade de
crescimento = velocidade de
morte
D – Fase de declínio ou morte:
condições impróprias para o
crescimento, meio deficiente
em nutrientes e rico em
toxinas, onde as células
mortas excedem o número de
células vivas