UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA DEPARTAMENTO DE PARASITOLOGIA, MICROBIOLOGIA E IMUNOLOGIA Fisiologia e Crescimento Bacteriano Disciplina: Biologia de Microrganismos Professora: Alessandra Machado Composição química de uma célula procariótica As células procarióticas são compostas por água, macromoléculas, outros compostos orgânicos e íons. Dentro de uma célula bacteriana ocorrem reações químicas catalisadas por enzimas. Metabolismo - conjunto de todas as reações químicas Anabolismo – conjunto de processos biossintéticos que requerem energia e que forma os componentes celulares a partir de moléculas menores: os nutrientes. Catabolismo - conjunto de processos de degradação de moléculas e nutrientes que liberam energia. As reações catabólicas fornecem energia para as reações anabólicas ou biossintéticas, Acoplamento das reações anabólicas e catabólicas é obtido através do ATP 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 utilizados como blocos para a construção da célula. Macronutrientes NUTRIENTES Micronutrientes Fatores de crescimento Macronutrientes – necessários em grandes quantidades Macronutrientes Funções 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 nucleicos. Fósforo (PO4) Enxofre (SO4, HS, S, comp. enxofre) Potássio (K+) Atividade enzimática, cofator para várias enzimas Cálcio (Ca2+) Cofator de enzimas, componente do endósporo Magnésio (Mg2+) Cofator de membranas Ferro (Fe2+/Fe3+) Constituição de citocromos e proteínas ferro enxofre (transportadores de elétrons), cofator de enzimas. enzimas, estabiliza ribossomos e Micronutrientes – requeridos em pequenas quantidades Fatores de crescimento Compostos orgânicos requeridos em pequenas quantidades e somente por algumas bactérias que não podem sintetizá-los. Muitos microrganismos são capazes de sintetizá-los. Estes compostos entram na composição das células ou de precursores dos constituintes celulares. Três grupos principais Aminoácidos Purinas e pirimidinas Vitaminas Ácidos graxos insaturados, colesterol, poliaminas e colinas. Vitaminas requeridas pelos microrganismos e suas funções Processo de nutrição em procariotos Gram positivos X Gram negativos Gram positivas Gram negativas Processo de nutrição em procariotos 1) Gram positivas Sintetizam exoenzimas que são liberadas no meio, clivando os nutrientes, que são captados por proteínas transportadoras. 2) Gram negativas Apresentam grande número de porinas associadas à membrana externa que permitem a passagem de moléculas hidrofílicas, de baixa massa molecular. No espaço periplasmático são encontrados proteases, fosfatases, lipases, nucleases e enzimas de degradacão de carboidratos. 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: Heterotróficos – microrganismos que utilizam composto orgânico como fonte de carbono. Ex: carboidratos. Autotróficos – Microrganismos que utilizam inorgânico como fonte de carbono. Ex: CO2 composto Fototróficos – microrganismos que utilizam a luz como fonte de energia. Quimiotróficos – microrganismos que utilizam compostos químicos (orgânicos ou inorgânicos) como fonte de energia. Formas de obtenção de energia Respiração aeróbia Respiração anaeróbia Fermentação Conceitos básicos • Glicólise: oxidação da glicose a ácido pirúvico com produção de ATP e energia contida em NADH. • Ciclo de Krebs: oxidação de um derivado do ácido pirúvico (acetil coenzima A) a dióxido de carbono, com produção de ATP, energia contida em NADH e FADH2. • Cadeia de transporte de elétrons: NADH e FADH2 são oxidados. Cascata de reações de oxirredução envolvendo uma série de transportadores de elétrons. A energia dessas reações é utilizada para gerar grande quantidade de ATP. Glicólise Glicólise Piruvato NAD+ + CoA Ciclo de krebs Acetil CoA NADH + H+ + CO2 CoA Oxalacetato NADH + H+ Citrato CoA NAD+ Isocitrato Malato NAD+ NADH + H+ + CO2 Fumarato -cetoglutarato CoA FADH2 CoA FAD+ Succinato NAD+ NADH + H+ + CO2 Succinil CoA ATP + CoA ADP + Pi Cadeia de transporte de elétrons Os elétrons transportados pela cadeia são fornecidos por NADH e FADH2 que foram reduzidas durante a glicólise e ciclo de Krebs. As reações de oxirreduções envolvendo uma série de transportadores de elétrons geram energia síntese de ATP. H+ Exterior H+ H+ Energia Respiração a) Respiração aeróbia - Compostos orgânicos são completamente degradados. - O2 é o aceptor final dos elétrons. b) Respiração anaeróbia: processo no qual os compostos orgânicos são completamente degradados, e uma molécula diferente do O2 é o aceptor final dos elétrons (carbonato, sulfato, nitrato, fumarato). A quantidade de ATP gerada na respiração anaeróbia varia de acordo com o microrganismo e a via. Tem rendimento energético menor do que a respiração aeróbia. Fermentação: processo no qual os compostos orgânicos são parcialmente degradados. • Não requer o uso do ciclo de Krebs ou cadeia de transporte de elétrons. • Utiliza uma molécula aceptor final de elétrons. • orgânica como Não requer oxigênio, mas algumas vezes pode ocorrer na presença deste. • Produz somente pequenas quantidades de ATP (grande parte da energia original dos compostos catabolizados permanece ainda nas ligações químicas dos compostos orgânicos formados). Produtos finais de várias fermentações microbianas a partir do piruvato Organismo Produtos finais da fermentação Streptococcus, Lactobacillus, Bacillus Ácido láctico Saccharomyces Etanol e CO2 Propionibacterium Ác. propiônico, ác. acético, CO2, H2 Clostridium Ác. butírico, butanol, acetona, álcool isopropílico e CO2 Escherichia, Salmonella Etanol, ác. láctico, ác. succínico, ác. acético, CO2, H2 Enterobacter Etanol, ác. láctico, ác. fórmico, butanodiol, acetoína, CO2, H2 Crescimento microbiano Crescimento microbiano – refere-se ao aumento do número e não do 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 • Macronutrientes • Micronutrientes • Fatores de crescimento • Temperatura • pH • Pressão osmótica • O2 Fatores ambientais que interferem no crescimento microbiano Temperatura pH Oxigênio Pressão osmótica Efeito da temperatura no crescimento microbiano Classificação dos microrganismos quanto à temperatura de crescimento Efeito do pH no crescimento microbiano A maioria das bactérias cresce melhor dentro de variações pequenas de pH, sempre perto da neutralidade, entre pH 6,5 e 7,5. Oxigênio • Componente universal das células. Formas reativas (tóxicas) de oxigênio Mecanismo de detoxificação Classificação quanto à exigência de oxigênio a) Aeróbios obrigatórios – exigem a presença de oxigênio. b) Anaeróbios obrigatórios – não toleram a presença de oxigênio. c) Anaeróbios facultativos – crescem na presença ou ausência de oxigênio. d) Microaerófilos – exigem a presença de oxigênio em pequena quantidade, não toleram as pressões normais de oxigênio atmosférico. Pressão Osmótica • Halotolerantes: toleram altas concentrações de sais-10% NaCl • Halofílicos: requerem altos níveis de NaCl (Vibrio cholerae). Pressão Osmótica • Halotolerantes: toleram altas concentrações de sais-10% NaCl • Halofílicos: requerem altos níveis de NaCl (Vibrio cholerae). Ciclo celular bacteriano As bactérias se multiplicam por fissão binária, um processo que ocorre devido à formação de septos, 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 semi-conservativo, 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 uma célula se dividir em duas ->Invaginação da membrana citoplasmática, parede celular e em gram negativa da mb externa também. -> DNA completo, todas as macromoléculas, monômeros e íons inorgânicos 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 tamanho, mas não em número. 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.
