6_Microbiologia celular_2 parte

Microbiologia Celular
2ª parte
Microrganismos eucariotas
Estrutura e função na célula do
tipo eucariótico
Algumas microalgas famosas
- Papel ecológico: fitoplankton; base das cadeias alimentares aquáticas e marinhas; oxigenação do Ambiente
Responsáveis por eutrofização (“algal blooms”) de compartimentos ambientais aquáticos e marinhos;
algumas espécies síntetizam toxinas (envenenamento das águas – para peixes; humanos)
- Biotecnologia: produção de carotenóides.
Algal bloom
Diatomáceas
(Maior parte do fitoplankton nos oceanos;
indicadores da qualidade da água - presença de poluição?;
Formas variadas - paredes duras constituidas por sílica)
Terra de diatomáceas
Depósitos de paredes de diatomáceas
mortas, em sedimentos aquáticos;
aplicação como fertilizantes,
como abrasivos em detergentes,
na remoção de pinturas e óleos;
como agente filtrante.
(In J. Black, Microbiology: fundamentals and applications, J Wiley & Sons, 2005)
Diatomáceas
Intoxicação por
ácido domóico
Alguns fungos famosos
Saccharomyces cerevisiae
Levedura do pão; levedura da cerveja e do vinho;
modelo de célula eucariótica
Gémula
(percursora da
célula-filha)
Cogumelos
(solo; decompositores;
aplicação alimentar;
alguns venenosos)
Levedura - Fungo unicelular; Ø ~ 10-15 µm)
Fungo filamentoso (ou, bolor)
(microrganismos terrestres, decompositores, alguns são produtores de antibióticos;
outros têm aplicação alimentar; alguns causam doenças (micoses))
Penicillium sp.
(In Brock Biology of Microorganisms, 10th edition, Prentice Hall)
Alguns protozoários famosos
- Papel ecológico: predadores de bactérias; decomposição de matéria orgânica no Ambiente;
- Parasitas de animais; agentes de doenças intestinais, através da ingestão de água contaminada,
(Giardia sp; Cryptosporidium sp), de malária (Plasmodium sp), de toxoplasmose (Toxoplasma sp), etc.
Cryptosporidium parvum
Paramecium sp.
(protozoário ciliado; habitat aquático;
parasita de animais) Ø ~ 50 µm
Giardia
lamblia
(In Brock Biology of Microorganisms, 10th edition, Prentice Hall)
Amoeba
(habitat aquático; parasita de
animais;
Ingestão de bactérias ou partículas
orgânicas por fagocitose)
(In Pery, Staley, Lory, Microbial Life, Sinauer (ed))
Plasmodium falciparum
e a malária
SCHEMATIC VIEW OF AN EUKARYOTIC CELL
Although all eukaryotic cells contain a nucleus,
not all organelles or other structures shown are present in all eukaryotic microbial cells.
Parede celular
•
Cobertura rígida
•
Composição variável
Em muitos casos, componentes principais são polissacáridos:
– Microalgas - celulose e pectina
– Fungos – quitina, celulose, e glucanos
Excepção:
– Diatomácas – silica
Quitina – polissacárido insolúvel composto por unidades de N-acetilglucosamina
Pensa-se que a quitina tenha potencial para substituir futuramente alguns produtos de plástico
(vantagem: os plásticos tem uma meia-vida muito longa (acima de 300 anos), enquanto a
quitina é biodegradável)
e possa ser utilizado na construção civil como material de extrema resistência a pressão.
Até ao momento ainda não foi possível a síntese in vitro.
Locomoção
Microalga Dunaliella
flagelos
Protozoário Paramecium
•
•
Cilios (s., cilium)
– 5-20 µm (comprimento)
– Funcionam como remos
Flagelos (s., flagellum)
– 100-200 µm (comprimento)
– Movimento ondulante
Têm origem em microtúbulos
Simbiose entre térmites e protozoários e dinoflagelados
Mastotermes darwiniensis
Mixotricha paradoxa
• Núcleo
poros
– É uma estrutura rodeada por uma
membrana e que alberga o genoma
da célula
(vários cromossomas);
- É o centro de controlo da célula;
– Tem 5 a 7 µm.
Microfotografia
electrónica de célula
de levedura.
•
Membrana nuclear
– É constituída por um par de estruturas
membranares (uma membrana
externa e outra interna) que delimitam
o núcleo
– É atravessada por poros nucleares
– Estes poros permitem a troca selectiva
e regulada de moléculas entre o
interior e o exterior do núcleo.
•Existe continuidade entre a
membrana externa do núcleo
e o retículo endoplasmático
(imagem obtida por microscopia
electrónica de transmissão)
GM Cooper, RE Hausman, “The Cell- a molecular approach”, 4th ed, 2007
Nucléolo
•
≥ 1 nucléolo / núcleo
•
Não está rodeado por nenhuma membrana
•
É o local onde se fabricam os ribossomas
– Síntese e processamento de RNA
ribossómico (rRNA)
– Montagem do rRNA e proteínas
ribossomais para formar os ribossomas
Ribossomas
•
Tamanho 80S
– subunidades 60S + 40S
•
Podem estar associados ao reticulo endoplasmático rugoso ou
livres no citoplasma
•
São estruturas complexas constituídas por proteínas e RNA
•
É o local onde se realiza a síntese de proteínas
>
Reticulo Endoplasmático (RE)
“Endoplasmic reticulum (ER)”
• É uma rede irregular de tubulos e sacos (cisterna) envolvidos
por uma membrana e que se estende desde a membrana
nuclear ao citoplasma.
• É o maior organelo das células eucarióticas
(10% do volume total)
FUNÇÕES DO RE
• Síntese e/ou transporte de proteínas, lípidos, e
outros materiais dentro da célula e para a
membrana plasmática (ex. Proteínas membranares e
proteínas que são excretadas ou têm como destino os
endossomas / lisossomas)
• Local de síntese de membranas lipídicas
• Síntese de constituintes dos lisossomas
Existem dois tipos de reticulo
endoplasmático (RE)
• RE rugoso (“rough ER”)
• RE liso (“smooth ER”))
-
Contém ribossomas ligados na sua face externa
- Não contém ribossomas
-
Envolvido no processamento e transporte de
proteínas que vão ser localizadas na membrana
- Síntese de lípidos componentes
plasmática (ex. Glicoproteínas, Proteinas
transmebranares; proteínas envolvidas no transporte
de solutos) ou são destinadas aos lisossomas ou
excretadas para fora da célula
(ex. Enzimas extracelulares)
das membranas biológicas
(P.ex. Fosfolípidos, esteróides
como é o caso de colesterol (células
animais) e ergosterol (células
de fungos)).
Overview of protein sorting (synthesis and fate of eukaryotic proteins)
(ER ribosomes)
N
Signal sequence
(amino terminus of
polipeptide chain)
Folding and assembly
of multiple subunit
proteins
Cytosol
(assisted by molecular
chaperones)
Cell exterior
GM Cooper, RE Hausman, “The Cell- a molecular approach”, 4th ed, 2007
Vesicular transport from the ER to the Golgi apparatus
Membrane proteins
(destination: membranes)
Lumen proteins
(destination:
secretory vesicles;
lysossomes)
GM Cooper, RE Hausman, “The Cell- a molecular approach”, 4th ed, 2007
Cytosol
Protein sorting and export from the Golgi apparatus
through the secretory pathway
GM Cooper, RE Hausman, “The Cell- a molecular approach”, 4th ed, 2007
Constitutive secretion
(continuous; unregulated)
or
regulated secretion
(in response to
environmental signals;
specific proteins)
Proteins (as well as lipids and
polysaccharides) are sorted
into the trans Golgi and
transported into
different type of
transport vesicles
to be transported to
their final destination
Digestive proteíns
of lysossomes
(e.g. Vaculoes in
yeast cells)
Secretion of proteins
out of the cells
Proteins can be carried out
to the plasma membrane
Complexo de Golgi
• É um complexo de membranas distinto do RE mas que funciona
coordenadamente com o RE.
• É uma fábrica onde proteínas e lípidos recebidos do RE são
processados (frequentemente modificados químicamente) e
transportados aos seus locais de destino (e.g. membrana
plasmática, endossomas, lisossomas, exterior da célula)
Outras processos realizados no Complexo de Golgi
• Glicosilação de proteínas
(ex. Modificação e síntese da porção hidrato de Carbono
em glicoproteínas; fosforilação de proteínas destinadas
aos lisossomas, etc.)
• Síntese de esfingomielina e glicolípidos
• Síntese de hemicelulose e pectina em plantas
Endossomes
Endocytosis
Formation of lysossomes
Lysossomes and endocytosis
- Pinocitose vs.Fagocitose
Fig. 4.10. (Prescott et al.,
Microbiology, 5th ed)
- Autofagia
- Hidrolases ácidas / lisossomas
Endocitose e
exocitose
Lisossomas
. Vesículas membranares
. Contêm hidrolases (enzimas hidrolíticas ou digestivas;
sintetizadas no RE e processadas e empacotadas pelo
complexo de Golgi); estas só funcionam a pH ácido
• pH é mantido ácido através de uma bomba de protões
(sistema de transporte activo primário)
. Encontrados em diversos microrganismos
(protozoários, fungos e algumas algas)
e em células animais e vegetais
. Digestão intracelular de macromoléculas e organelos
não funcionais (p.ex. reciclagem de moléculas – turnover)
. Digestão de agregados moleculares, bactérias, etc.
(endocitose)
GM Cooper, RE Hausman, “The Cell- a molecular approach”, 4th ed, 2007
O Citoplasma, o citoesqueleto e
os movimentos celulares
• Citoesqueleto
– Rde de microfilamentos (4-7 nm), microtubulos (25 nm), e
filamentos intermédios (8-10 nm) contido no citoplasma
– Funções:
. forma da célula,
. organização do citoplasma,
. transporte interno de organelos e
proteínas no citoplasma;
. movimento celular
Sistema de microfilamentos numa
célula eucariótica (marcação com
anticorpos)
Prescott, Harley & Klein, Microbiology, th edition,Mc GrawHill, 2002
Estrutura e organização dos filamentos de actina ou microfilamentos
• Componente principal: actina
Assembly and structure of actin filaments
GM Cooper, RE Hausman, “The Cell- a molecular approach”, 4th ed, 2007
Envolvidos em:
- Movimento celular
- Modificação da forma das
células
(p.ex. Locomoção de
amibas)
80 µm
6 seg.
Microtúbulos
• Cilindros ôcos e rigidos
Microtubule structure
• Constituinte principal:
tubulina
• Transporte intracelular de
substâncias
• Movimento intracelular de
organelos
• Forma da célula
GM Cooper, RE Hausman, “The Cell- a molecular approach”, 4th ed, 2007
Organização intracelular dos microtúbulos
Os microtúbulos estão
ancorados nos centrossomas
Em interfase:
Microtúbulos servem de “trilhos” para
o transporte de organelos
(p.ex. dos vesículos envolvidos quer na
secrecção de proteínas quer na endocitose)
Durante a mitose:
(divisão celular)
Os dois centrossomas separam-se e
os microtúbulos formam o fuso mitótico,
assegurando a separação equitativa dos
cromossomas pelas duas células-filha.
Em muitos fungos e alguns protozoários e
algas, o envelope nuclear permanece intacto
durante a mitose.
GM Cooper, RE Hausman, “The Cell- a molecular approach”, 4th ed, 2007
(Phylogenetically
related to
mitochondria)
Bacteria
Archaea
Eukarya
(Phylogenetically
related to
chloroplasts)
Universal ancestor
(adaptado de Prescott, Harley, Klein, “Microbiology”, 5th ed.)
TEORIA ENDOSSIMBIÓTICA
Mitocôndria
Ribossomas
Membrana
interna
Membrana
externa
Matriz da mitocôndria:
- DNA (molécula circular fechada)
- Ribossomas (70S)
. .
- Enzimas (envolvidas na β-oxidação de
ácidos gordos a Acetil-CoA e no ciclo
TCA)
. .. .
FUNÇÃO: Produção de energia
•
Rreacções do ciclo dos ácidos tricarboxílicos (ciclo
TCA) – oxidação de Acetil-CoA a CO2, com formação de
NADH e FADH2.
•
Geração de ATP (transporte electrónico e
fosforilação oxidativa) na membrana interna.
•
A sua formação necessita de proteínas produzidas
no citoplasma e outras produzidas na própria
mitocôndria
.
Presente em células de protozoários, fungos, e em
organismos superiores.
Membrana interna
(fosforilação oxidativa e
síntese de ATP)
Prescott, Harley & Klein, Microbiology, 5th edition,Mc GrawHill, 2002
Cloroplasto
MATRIZ (estroma)
contém:
FUNÇÃO: Produção de energia
- DNA (molécula circular fechada)
•
- Ribossomas (70S)
Encontra-se em microalgas
(além de algas superiores e plantas)
•
É o local onde se realiza a fotossíntese
- Enzimas envolvidas nas reacções da
fase escura da fotossíntese
(ciclo de Calvin)
Ex. - enzima RubisCO (ribulose
biphosphate carboxylase);
biossíntese de glucose
- Membranas tilacóides
Membrana tilacóides (grana)
reacções luminosas da fotossíntese:
- captação de luz para gerar energia na
forma de ATP e NADPH, e
- formação de O2.
Prescott, Harley & Klein, Microbiology,
th edition,Mc GrawHill, 2002
Hydrogenosomes
• in
several microbial eukaryotes
that lack mitochondria and
are anaerobic
(e.g. The protozoa Giardia;
the flagellate parasite Trichomonas;
several ciliated protozoa that inhabit the
rumen of ruminant animals or anoxic
muds and sediments)
• Major biochemical reactions:
Oxidation of pyruvate
to yield
ATP, and
H2 + CO2 + acetate
(Fermentation)
Some contain H2-consuming
methanogenic bacteria as
endosymbionts
Peroxissomas
GM Cooper, RE Hausman, “The Cell- a molecular approach”, 4th ed, 2007
• São pequenos organelos rodeados por uma membrana, localizados no
citoplasma
• Existem em protozoários, leveduras e algumas bactérias, em grande parte
das células animais e em numerosas células vegetais (algumas células podem
conter ~500 peroxissomas)
• Contêm enzimas (principalmente, oxidases e catalases) envolvidas em várias
reacções metabólicas.
Funções dos peroxissomas
Metabolismo energético
Ex. oxidação de ácidos gordos, ácido úrico, aminoácidos, ou purinas
(fontes de energia)
P. ex. β-oxidação de ácidos gordos (até Acetil-CoA)
Ácido gordo saturado
GM Cooper, RE Hausman, “The Cell- a molecular approach”, 4th ed, 2007
Ácido gordo insaturado
Algumas notas
Lisossomas e endocitose
Endocitose – entrada na célula de macromoléculas ou células vindas do exterior,
através da formação de vesículas com origem na membrana plasmática.
Dois tipos:
- Fagocitose: ingestão de moléculas de grande dimensão ou mesmo células inteiras
- Pinocitose: ingestão de porções do liquido circundante com as moléculas de solutos.
ACÇÃO CONJUNTA permite, por exemplo:
•
Aquisição de nutrientes (p.ex. de macromoléculas e/ou bactérias por
protozoários – fagocitose; de factores de crescimento, hormonas, ferro em diversos
tipos de células - pinocitose)
•
Digestão de macromoléculas e organelos não funcionais
(nos vacúolos autofágicos; reciclagem normal dos constituintes celulares; remoção
de “cell debris” após a morte das células)
•
Defesa do hospedeiro infectado (p.ex. na destruição
de bactérias invasoras pelos glóbulos brancos do sangue – em células animais)
Funções dos peroxissomas
• Realizam reacções de oxidação de diversos compostos intracelulares, que são acompanhadas
pela formação de peróxido de hidrogénio (H2O2). O peróxido de hidrogénio é tóxico, sendo
decomposto pela enzima catalase.
Alguns desses compostos são: ácidos gordos , ácido úrico, aminoácidos, purinas;
. Por exemplo, as reacções de β-oxidação de ácidos gordos a Acetil-CoA (uma forma
importante
de obtenção de energia metabólica para muitos organismos) ocorre maioritariamente em
peroxissomas, em muitas leveduras e em células de plantas.
• Em células animais, os peroxissomas participam na absorção e digestão de gorduras e estão
também envolvidos na síntese de lípidos e na síntese de colesterol (p.ex. abundantes nas células do
fígado e rins – eucariotas superiores)
GM Cooper, RE Hausman, “The Cell- a molecular approach”, 4th ed, 2007