Morfologia e Estrutura de Microrganismos Morfologia e Estrutura de

Morfologia e Estrutura de Microrganismos
Eucariotos
Procariotos
Esfriamento da crosta
Plantas e animais
Cianobactérias : grandes
quantidades de O2 na atmosfera
Bilhões de anos a partir do presente
⇒
Estrutura de Células de Microrganismos Reflete as
Diferentes Etapas do Processo de Evolução
Biológica de Organismos
Morfologia e Estrutura de Microrganismos
As Três Estruturas Básicas de Células estão
Associadas a Três Reinos Distintos de Organismos
Tamanhos de Células
1
Tamanhos de Células
A vantagem de ser pequeno
Raio (µ
µ m)
1
10
100
1000
Volume (µ
µ m3)
4,2x101
4,2x103
4,2x106
4,2x109
Superfície (µ
µ m3)
1,3x101
1,3x103
1,3x105
1,3x107
Superfície/Volume
0,31
0,31
0,03
0,003
Morfologia bacteriana
Spírillum
Staphilococcus
Leptospirillum
Streptococcus
Pseudomonas
Vibrio cholerae
Morfologia bacteriana
Treponema
Hyphomicrobium
Fusobacterium
Beggiatoa
Thiopedia
Bactérias filamentosas
lodo de esgoto
2
O formato e o tamanho da célula dependem de seu estado nutricional
Após 1 semana em
meio sem fonte de
carbono
Vibrio sp. marinho
recém cultivado
Após 1 mês em meio
sem fonte de carbono
Célula Procariótica Padrão:
Citoplasma
Corpos de
inclusão
Nucleóide
Ribossomo
Flagelo
Cápsula
Parede
Membrana
Fímbria
Estrutura básica encontrada em
organismos do filo Eubacteria
Glicocálix ou Cápsula
Exudatos compostos de polissacarídeos que se acumulam na
superfície de células, formando uma camada espessa na parte
externa da célula.
Composição extremamente variável, podem ser espessas ou
delgadas, rígidas ou flexíveis;
Aderência, resistência à dessecação, estabilidade estrutural de
consórcios microbianos (biofilmes, grânulos de bactérias).
3
Coloração de Gram
A técnica de coloração mais importante da bacteriologia. Permite
classificar eubactérias em dois grupos, com base na estrutura da
superfície: Gram+ e Gram-
Gram+
Gram-
Hans
Christian
Gram
Camada externa de bactérias GramProteína
Porina
LPS
Membrana
externa
Periplasma
Membrana
citoplasmática
Fosfolipídeos
Camada externa de bactérias Gram+
Ácido
lipoteicóico
Ácido teicóico
Proteína
associada à
parede
Parede
Membrana
citoplasmática
4
Terminologia
Atenção: neste curso a terminologia de descrição das estruturas da
camada externa ao protoplasma será a terminologia empregada na
literatura internacional:
Conjunto de estruturas que conferem forma à célula e separam o
ambiente interno (plasma) do ambiente externo: camada externa
(envelope)
Estruturas responsáveis pela estabilidade mecânica da superfície da
célula: parede (cell wall)
Peptidoglicano
Estrutura rígida ou semi-rígida, que garante a estabilidade mecânica
da parede de eubactérias;
Ponto de ancoramento de estruturas de impulsionamento da célula
(flagelos) e de outras estruturas rígidas com funções variadas (pilos e
fímbrias)
Define o volume da célula
Constituída de cadeias de
peptidoglicano (mureína), um
heteropolissacarídeo dos açúcares Nacetilglicosamina (NAM) e Nacetilgalactosamina (NAG)
A rigidez da estrutura decorre do
intertravamento entre polímeros de
peptidoglicano através de cadeias
tetrapeptídeos
A camada de peptidoglicano de
bactérias é formada por uma única
molécula!
Peptidoglicano: Intertravamento entre cadeias
por ligações peptídicas cruzadas
Bactérias GramConexão direta entre cadeias de
tetrapeptídeos de moléculas
adjacentes de peptidoglicano
Bactérias Gram+
Conexão entre cadeias de
tetrapeptídeos de moléculas
adjacentes de peptidoglicano
ocorrer através de pontes
interpeptídicas de poliglicina
5
Paredes de células Gram+
As paredes de células Gram+ possuem polímeros formados pela
conexão de moléculas do açúcar ribitol através de pontes de fosfato,
os ácidos teicóicos, que atravessam toda a parede. Os grupos
hidroxila das moléculas de ribitol são ligados a aminoácidos ou
açúcares. Quando não ligados a moléculas de peptidoglicano por
ligações covalentes, os ácidos teicóicos ficam conectados a lipídios
da membrana citoplasmática (ácidos lipoteicóicos).
Ácido teicóico
Lisozima
A lisozima é uma enzima encontrada freqüentemente em secreções
de animais, que quebra as ligações glicosídicas entre as moléculas
NAM e NAG do peptidoglicano de bactérias Gram+. Dependendo da
concentração de sal do ambiente no qual ocorre a ação da lisozima, a
célula pode lisar ou formar um protoplasto, que é uma estrutura
formada pelo citoplasma e a membrana citoplasmática.
Algumas bactérias não possuem parede:
Micoplasma e Thermoplasma
Paredes celulares de Archea
Organismos do filo Archea não possuem paredes celulares
compostas de peptidoglicano. A diversidade de materiais
empregados nas paredes deste grupo é muito grande e inclui:
Pseudopeptidoglicano: polímero composto de NAG e ácido Nacetiltalosaminurônico, reforçado por ligações peptídicas
(algumas espécies)
Polissacharídeos espessos
(Methanosarcina)
Polissacharídeos espessos com
grande número de grupos sulfato
(Arqueas halófilas, Halococcus)
Camadas S como parede celular
(amplamente distribuída por todos
os subgrupos do filo Archea)
6
Camadas S
Arranjos bidimensionais de proteínas ou glicoproteínas altamente
regulares com simetria hexagonal, tetragonal ou trimérica,
localizadas na superfície externa de bactérias e arqueas. Em
bactérias Gram+, as proteínas da camada S são conectadas ao
peptidoglicano, enquanto que em bactérias Gram- estas camadas são
conectadas com a membrana externa.
Thermoanaerobacter
thermohydrosulfuricus
camada S de
Bacillus sphaericus
Membrana Citoplasmática de Eubactérias: Estrutura
Estrutura delgada que envolve o citoplasma;
Formada principalmente por uma bicamada de fosfolípídeos;
Contém proteínas integrais com domínios hidrofóbicos para
ancoramento na membrana;
Proteínas periféricas são permanentemente associadas à membrana,
do lado do citoplasma ou do lado do periplasma (Gram-) ou do meioambiente (Gram+);
Fosfolipídeos: Principal Componente Estrutural das
Membranas de Células
apolar
polar
Fosfolipídeos são moléculas anfifílicas, ou seja, possuem
uma extremidade polar e outra apolar.
7
Fosfolipídeos: Principal Componente Estrutural das
Membranas de Células
Água
Ácidos
graxos
excluem
água
Água
Mobilidade de
Fosfolipídeos na
Membrana
Rápida
Muito lenta
Lipídios de Membranas de Arquéias
Unidades de isopreno
Difitanilgliceroltetraéter:
Membranas de Arquéias
Fosfolipídeos
passantes na
Membrana
8
Outros Lipídeos de Membranas
Colesterol:
somente na membrana de
eucariotos:
5% a 25% dos lipídeos de
membranas,
Reforço estrutural
Hopanóides:
assumem o papel do colesterol
nas membranas de procariotos
Reforço da estrutura de membranas em bactérias que não possuem
paredes
Modulação da fluidez bidimensional nas membranas (redução em
temperaturas mais elevadas, aumento nas temperaturas mais baixas)
Membrana Citoplasmática: Função
Barreira altamente seletiva;
Sítio de regulação de acesso de compostos para a célula;
Sítio de regulação de eliminação de compostos para a célula;
Geração de energia metabólica através do estabelecimento
de um gradiente de concentração de prótons
Localização de muitas enzimas metabólicas.
Substância
Água
Glicerol
Triptofano
Glicose
Cloreto (Cl-)
Potássio (K+)
Sódio (Na+)
⇒
Permeabilidade relativa
100
0,1
0,001
0,001
0,000001
0,0000001
0,00000001
Membrana é pouco permeável para compostos polares
e/ou com carga elétrica
Tipos de energia utilizados pela célula:
1. Energia “potencial”
gradientes naturais de nutrientes
Gradientes sintéticos: H+, Na+, etc.
2. Energia metabólica
ATP
3. Elétrons
NADH2 (produção de energia metabólica na
cadeia de transporte de elétrons)
FADH2 (produção de energia metabólica na
cadeia de transporte de elétrons)
NADPH2 (fornecimento de elétrons para
reações de óxido-redução)
9
Membrana Citoplasmática: Geração de Energia
www.genome.ad.jp
Membrana Citoplasmática: Transporte
Transporte
mediado
Ativo:
Uniport
Symport
Antiport
Translocação em grupo
Não-mediado:
Difusão simples
Passivo:
Difusão facilitada
Transporte não mediado (Difusão simples)
Ocorre ao longo de um gradiente de concentração,
não requer energia externa.
Ocorre sempre em direção do gradiente de concentração.
Não permite acumulação de substância no interior da célula:
Compostos transportados por este mecanismo: Água, nutrientes
gasosos (O2, CO2, CH4, etc.), poluentes hidrofóbicos (benzeno, PCB,
etc.)
Transporte mediado
Depende de um componente estrutural nas membranas externa ou
citoplasmática (porinas)
Transporte mediado passivo (Difusão facilitada)
Transporte de soluto de ambiente de alta concentração para
ambiente de baixa concentração. Depende de estruturas na
membrana celular que permitam a passagem do nutriente (glicerol,
por exemplo).
Não necessita de fonte de energia metabólica.
Não permite acumulação de componente transportado no interior da
célula.
10
Transporte mediado ativo
Permite concentrar solutos no interior da célula em fatores de até
1000x a sua concentração no meio-ambiente.
Depende de uma fonte de energia metabólica, pois ocorre contra um
gradiente de concentração
Exterior
Interior
Uniportador
Antiportador
Simportador
Uniport
Fonte de energia: freqüentemente ATP
Substâncias transportadas: aminoácidos, peptídeos,
alguns açúcares, ácidos orgânicos, ânions e cátions
inorgânicos
Symport
Fonte de energia: Gradientes de H+ ou Na+
Substâncias transportadas: Gradiente de H+: lactose,
K+; Gradiente de Na+: glutamato.
Antiport
Fonte de energia: Gradientes de H+
Substâncias transportadas: Transporte de Na+ de
dentro para fora da célula, sistemas de detoxificação.
Classes de Sistemas de Transporte
Transporte simples
Translocação de
grupo
Sistema ABC
(ATP binding
cassete)
11
Sistemas de transporte de carboidratos em bactérias
Sistema
Propriedades
cinéticas
Km
Vmax
Porina
-
-
Facilitador
>10mM
1000
Altas concentrações de substratos, crescimento
rápido
Symport (H+)
0,1-10mM
250
concentrações médias de substratos,
crescimento aeróbio em ambientes neutros ou
ácidos, crescimento rápido
Symport (Na+)
0,1-10mM
100
concentrações médias de substratos,
crescimento em ambientes aneróbios ou
alcalinos, crescimento rápido
Antiport
(precursores/ produtos)
0,1-10mM
130
transporte de precursor ativa excreção de
produto, detoxificação
Sistemas dependentes de 0,1-10µ
µM
receptores
10-50
concentrações baixas de substratos.
Crescimento aeróbio, crescimento entre lento a
rápido
Translocação de grupo
(Fosfotransferase)
10-50
concentrações baixas de substratos,
crescimento anaeróbio, crescimento entre lento
a rápido
0,1-10µ
µM
Função
Transporte através da membrana externa de
organismos Gram-
Sistemas de transporte na Membrana Externa de
Organismos Gram-: Porinas
A membrana externa é permeável
para moléculas pequenas
(oligossacarídeos ou
oligoproteínas com até 7
monômeros, íons, monômeros,
mas totalmente impermeável para
moléculas grandes (proteínas,
polisacarídeos, ligninas, etc.);
Estas moléculas atravessam a
membrana externa por canais
denominados porinas;
As porinas podem ser específicas
(seletivas para certos compostos)
ou não-seletivas (maioria).
Flagelo
Mecanismos de movimento ativo de microrganismos:
Flagelos
Movimento rápido (até 60 comprimentos de bactéria por
segundo)
Movimento aleatório ou direcionado (movimentação ao
longo de gradientes químicos ou físicos – taxias)
Energia fornecida pela força próton-motiva (cerca de
1000H+/rotação)
Deslizamento
Movimentação que ocorre em contato com superfície
Muito mais lenta do que movimentação flagelar (10µ
µm/s)
Vesículas de gás
Permitem o deslocamento vertical de organismos em
colunas de água
Movimentação não-ativa de microrganismos:
Movimento Browniano
12
Flagelo
peritríquio
lofotríquio
polar
Membrana externa de bactérias Gram-negativas
Membranas assimétricas
Lipopolissacarídeos na camada externa;
Porinas atravessam esta membrana;
Conectada à parede celular;
Barreira de proteção.
Proteína
Porina
LPS
Membrana
externa
Fosfolipídeos
Membrana externa de bactérias Gram-negativas:
Lipopolisacarídeos (Endotoxina)
Principal molécula da camada externa da membrana externa de
bactérias Gram-;
Constituídos de três segmentos: lipídio A, polissacarídeo interno
e polissacarídeo O-específico;
Lipídio A: ancoramento do LPS na membrana
LPS é a principal causa de reações inflamatórias causadas por
bactérias.
13
Membranas Internas em Procariotos
Em alguns procariotos ocorre a formação de camadas internas
na célula. Estas camadas, porém, não constituem organelas,
pois as membranas permanecem ligadas à membrana
citoplasmática.
⇒ aumento da área de membrana/volume de célula, aumentando
a concentração de proteínas e enzimas localizadas na
membrana;
Em algumas bactérias fotossintéticas estas invaginações podem
se desprender da membrana externa, formando ticalóides.
Nitrosococcus
Nitrobacter
Organismo fotosintetizante
Espaço Periplasmático
É o espaço entre as membranas citoplasmática e externa em
organismos Gram-;
A parede celular destas bactérias está localizada neste espaço;
Este espaço contém grande variedade de proteínas hidrolíticas
para degradação de polímeros transportados através das
porinas, proteínas para a biodegradação de compostos tóxicos,
proteínas que se ligam de maneira específica a substâncias que
serão transportadas através da membrana interna e enimas para
a síntese de peptidoglicano.
Citoplasma
Solução
concentrada
de
proteínas,
ácidos
nucleicos,
monômeros
e íons,
dissolvidos
em água
14
Nucleóide
Zona onde se concentra o DNA genômico de procariotos
Vesículas de gás
Vesículas são formadas por uma membrana composta por duas
proteínas, uma hidrofóbica, que repele água e permite a
passagem de gás, e uma segunda de reforço mecânico.
Tamanho e número de vesículas de gás variam muito entre
células.
Vesículas de gás
Fímbrias e Pili
Estruturas similares aos flagelos, mas sem envolvimento na
locomoção celular.
Fímbrias: consideravelmente mais curtas e mais numerosas do
que flagelos: adesão, receptores.
Pili: estruturalmente muito mais longos do que fímbrias: adesão,
receptores, sexo.
15
Estruturas de armazenamento interno na célula
Partículas geralmente envoltas por camada de lipídios
Armazenamento de carbono (reservas de energia):
Polihidroxialcanoatos (polímeros de ácido poli-β
βhidróxibutírico) ⇒ bioplásticos
Glicogênio (polímeros de glicose)
Polifosfatos
Enxofre elementar
Magnetossomos: partículas de
magnetita (Fe3O4)
Magnetospirillum
magnetotacticum
Ribossomos
Complexos formados de proteínas ribossômicas e RNA
ribossômico, onde ocorre a síntese de proteínas a partir do RNA
mensageiro.
Ribossomos
A sequência de
regiões hipervariáveis
do RNA ribossômico
16S é a base da
taxonomia molecular
de bactérias
16
Endósporos
Estruturas metabolicamente inativas produzidas por alguns
microrganismos no interior da célula com elevada resistência
térmica, química e a radiação.
Bacillus anthracis
Bacillus subtilis
Clostridium botulinum
Endósporos: Estrutura
Exospório: envoltório fino e delicado, composto por proteínas;
Capa: proteínas específicas do esporo
Córtex: peptidoglicano
Protoplasto: parede celular, membrana citoplasmática,
citoplasma com elevada concentração de pequenas proteínas
solúveis de esporo (PPAS), nucleóide em ambiente altamente
desidratado.
Todos os endósporos contém ácido dipicolínico.
Endósporos: Formação
17
Células de Eucariotos
Material para estudo:
Capítulo 4 Brock
Capítulos 14.1. a 14.5
18