MICROBIOLOGIA BÁSICAANATOMIA FUNCIONAL DE PROCARIOTOS Profa. Edilsa Rosa da Silva

DAQBI/UTFPR

INTRODUÇÃO A MORFOLOGIA BÁSI CA DE PROCARIOTOS Os procariotos e os eucariotos são quimicamente similares, no sentido de que ambos contêm ácidos nucléicos, proteínas, lipídios e carboidratos. Eles usam os mesmos tipos de reações químicas para metabolizar o alimento, formar proteínas e armazenar energia. Os representantes do mundo procariótico compõem um vasto grupo heterogêneo de organismos unicelulares muito pequenos. Os procariotos incluem as eubactérias e as arquibactérias. A maioria das bactérias, incluindo as cianobactérias que realizam a fotossíntese, está incluída no grupo das eubactérias. As milhares de espécies de bactérias são diferenciadas por alguns fatores como:

1. composição química (detectada por métodos de coloração); 2. morfologia (forma da célula); 3. necessidades nutricionais; 4. atividades bioquímicas e; 5. fontes de energia (luz solar ou química).

A FORMA E O ARRANJ O DAS CÉLULAS BACTERIANAS (Tortora ET al.,2000)

Existem muitos tamanhos e formas entre as bactérias: a variação fica entre 0,2 a 2,0 micrômetros de diâmetro e de 2,0 a 8,0 micrômetros de comprimento. As formas básicas principais ficam entre: cocos, bacilos, e espirais. As células em formas de cocos (esféricas) podem assumir os seguintes arranjos: diplococos, estreptococos, tétrades, sarcinas e estafilococos. As células em formas de bacilos (bastonetes) podem assumir os arranjos: diplobacilos, estreptobacilos e cocobacilos. As bactérias espirais possuem uma ou mais curvaturas: quando parecem uma vírgula são denominadas vibriões; quando parecem um saca- rolhas rígido chamam- se espirilos e quando assemelham- se a um saca- rolha flexível chamam- se espiroquetas. Além das 3 formas básicas, existem células na forma de estrelas (gênero Stella), quadradas planas (arquibactérias halofílicas, gênero Haloarcula) e triangulares. A forma da célula bacteriana é determinada geneticamente. A maioria das bactérias é monomórfica (mantém uma única forma). Entretanto, algumas condições ambientais podem alterar a sua forma. Algumas bactérias, como o gênero Rhizobium e Corynebacterium, são geneticamente pleomórficas (podem ter muitas formas e não apenas uma).

CITOPLASMA

#Constitui- se de aproximadamente 80% de água, além de ácidos nucléicos, proteínas, carboidratos, lipídeos, íons inorgânicos, muitos compostos de baixo peso molecular e partículas com várias funções. #É espesso, aquoso, semitransparente e elástico. #Principais estruturas: DNA, ribossomos e depósitos de reserva denominados inclusões. #Difere do citoplasma eucarioto: ausência de citoesqueleto e correntes citoplasmáticas.

ÁREA NUCLEAR Cromossomo bacteriano: molécula única circular longa de

DNA dupla fita. Ausência de proteínas histonas e membrana

nuclear. A área nuclear pode ser esférica, alongada ou forma de

halteres. Bactérias em divisão: ocupa até 20% do volume

celular. Está fixado à membrana plasmática.

PLASMÍDEO (Tortora et al., 2000) Pequenas extensões circulares de DNA. São DNAs auto- replicantes circulares, contendo genes com cerca de 1 a 5% do tamanho do cromossomo bacteriano (cerca de 5 a 100 genes); Também são encontrados em células eucarióticos, como Saccharomyces cerevisae; Tipos de plasmídeos:

Fator F: plasmídeo que transporta os genes dos pilli sexuais e da tranferência do plasmídeo para outra célula;

Plasmídeo de dissimilação: codificam enzimas que ativam o catabolismo de certos açúcares e hidrocarbonetos incomuns (tolueno, cânfora e hidrocarbonetos do petróleo). Ex. Espécies de Pseudomonas, que podem utilizar como fonte de carbono e energia várias substâncias incomuns, como as citadas acima, pois possuem plasmídeos que codificam enzimas catabólicas. Este tipo de plasmídeo é determinante para a sobrevivência de microrganismos em ambientes adversos, e por isso as bactérias que o possuem tem sido estudadas para aplicação em processos de limpeza ambiental;

Plasmídeos envolvidos com patogenicidade: alguns plasmídeos codificam proteínas envolvidas com patogenicidade. Ex. cepas de Escherichia coli, envolvidas com diarréia infantil e diarréia do viajante, transportam plasmídeos que codificam toxinas e a fixação bacteriana às células intestinais. Outras toxinas codificadas por plasmídeos incluem: a toxina esfoliativa do Staphylococcus aureus, a neurotoxina do Clostridium tetani e as toxinas do Bacillus anthracis. Outros plasmídeos contem genes para a síntese de bacteriocinas.

Fatores R (fatores de resistência): plasmídeos de importância médica. Transportam genes que conferem à célula hospedeira resistência à antibióticos, metais pesados ou toxinas celulares. Muitos fatores R contem 2 grupos de genes. Um grupo é chamado fator de transferência de resistência (FTR) e inclui genes para replicação do plasmídeo e conjugação. O outro grupo, o r- determinante, tem os genes de resistência; ele codifica a produção de enzimas que inativam certas drogas ou substâncias tóxicas. Diferentes fatores R, quando presentes na mesma célula, podem se recombinar para produzir fatores R com novas combinações de genes em seus r- determinantes. Em alguns casos, pode ocorrer acúmulo de genes de resistência dentro de um único plasmídeo (Ex. plasmídeo R 100, resistência para sulfonamidas, estreptomicina, cloranfenicol, tetraciclina e resistência a alguns metais pesados, pode ser transferido entre uma série de espécies entéricas, incluindo a Escherichia, a Klebsiella e Salmonella).

Os fatores R apresentam problemas muito sérios no tratamento de doenças infecciosas com antibióticos – O uso disseminado de antibióticos em medicina e agricultura levou a sobrevivência preferencial de bactérias com fator R. Assim, as populações resistentes crescem cada vez mais.

RI BOSSOMOS #Estruturas muito pequenas, que conferem ao citoplasma aspecto granular; #Função principal: locais de síntese protéica. #Constituídos por duas subunidades e cada uma apresentando: proteína e RNA ribossômico.

#Menos densos: ribossomos 70s (30S + 50S) #(S- unidades Svedberg, indica a velocidade relativa de

sedimentação na centrifugação).

#Alguns Antibióticos atuam inibindo a síntese protéica nos ribossomos procarióticos:

#Estreptomicina, gentamicina, fixam à subunidade 30S e interferem com a síntese protéica. #Eritromicina, cloranfenicol, fixam à subunidade 50S.

MEMBRANA CITOPLASMÁTICA (MC) # Constitui uma fina estrutura situada no interior da parede celular, revestindo o citoplasma da célula. # Composição química: fosfolípideos (camada dupla) e proteínas (periféricas, integrais).

#Modelo do mosaico fluido #Funções:

Barreira seletiva: permeabilidade seletiva de moléculas:

o Água, O2, CO2, açúcares simples e íons; o Permeases, proteínas específicas

transportadoras Síntese de enzimas envolvidas nos processos

catabólicos e na produção de ATP. Presença de proteínas responsáveis pela replicação

do DNA. Cromatóforos ou tilacóides: estruturas

membranosas, presentes em algumas bactérias, que carregam pigmentos e enzimas envolvidos na fotossíntese.

Mesossomos: pregas grandes e irregulares formadas a partir da membrana citoplasmática, que se estendem até o citoplasma.

o Possíveis funções: Envolvidos na replicação de DNA e na divisão celular; secreção de certas enzimas de proteção (penicilinases)

# Drogas antimicrobianas que atuam na Membrana Citoplasmática:

o Polimixinas, grupo de antibióticos que lesa a MC; o Certos álcoois e compostos quaternários de amônio.

PAREDE CELULAR (PC) #Estrutura semi- rígida, complexa, que dá forma à célula bacteriana. # Função:

A PC circunda a membrana citoplasmática frágil, protegendo- a e ao interior da célula das alterações adversas no ambiente externo.

Ajuda a manter a forma da bactéria. Previne a ruptura das células bacterianas, quando

a pressão da água no interior da célula é maior. # A maioria dos procariotos apresenta PC. # Clinicamente é importante, pois alguns antibióticos atuam no nível da PC. # A composição química da PC é usada para diferenciar os principais tipos de bactérias. (GRAM) COMPOSIÇÃO QUÍMICA:

A peptideoglicana consiste de um dissacarídeo unido por polipeptideos que circunda toda a célula.

Peptideoglicana (mureína): N- acetilglicosamina* Ácido N- acetilmurâmico* Aminoácidos D e L

*Monossacarídeos relacionados a glicose

PC BACTÉRIAS GRAM+ #Muitas camadas de peptideoglicana, que formam uma estrutura espessa e rígida. #Composição química: peptideoglicana

ácidos teicóicos (ácido lipoteicóico, ácido teicóico da parede)

PC BACTÉRIAS GRAM - #Consistem de uma ou mais camadas de peptideoglicana e uma menbrana externa. #A peptideoglicana está ligada a lipoproteínas presentes na membrana externa, e se localiza no espaço periplasmático, um espaço entre a membrana externa e a membrana citoplasmática. #Espaço periplasmático: contém uma alta concentração de enzimas de degradação e proteínas de transporte. #Membrana externa: lipoproteínas, lipopolissacarídeos (LPS)

e fosfolípideos #Membrana externa: apresenta funções especiais:

Sua forte ação negativa protege as bactérias patogênicas do fagocitose

Fornece uma barreira para certos antibióticos (penicilina), enzimas digestivas (lisozima), detergentes, metais pesados, sais biliares e certos corantes.

#Membrana externa apresenta permeablidade seletiva para certos nutrientes:

Porinas: proteínas da membrana externa, que formam canais. Permitem a passagem de moléculas como nucleotídeos, dissacarídeos, peptídeos, aminoácidos, vitamina B12 e o ferro.

As porinas podem fornecer locais para a fixação de vírus e substâncias nocivas à célula.

#Componente Lipopolissacarídeo da membrana externa:

*A porção polissacarídica é composta de açúcares: Polissacarídoes O, que atuam como antígenos e são usados para diferenciar espécies Gram - .

*A porção lípidica, lipídeo A, é uma endotoxina, tóxica quando presente na corrente sanguínea do hospedeiro ou no trato intestinal. Causa febre e choque.

PC ATÍ PI CAS #Entre os procariotos, certos tipos de células não possuem paredes ou tem muito pouco material de parede. #Gênero Mycoplasma e organismos relacionados. # Micoplasma: menores bactérias conhecidas; podem crescer e se reproduzir em meios de cultivo artificial, e em células vivas. # Devido ao tamanho e ausência de parede célulares, os micoplasmas passam através da maioria dos filtros bacterianos. #A estrutura das células é extremamente primitiva, consistindo essencialmente de uma membrana citoplasmática, ribossomas e um núcleo procariótico. # Suas membranas plasmáticas destacam- se das bactérias por possuírem lípideos denominados esteróis, o que pode estar relacionado a proteção contra lise osmótica. #As células dos micoplamas são extremamente pleomórficas, sendo observados, no mesmo material, elementos cocóides, filamentosos e em formas bolhosas. # Têm sido propostos esquemas de ciclos vitais que mostram os microrganismos evoluindo ao longo de várias etapas morfológicas: corpos elementares pequenos esferóides maiores filamentos e, de novo, corpos elementares.

ARQUI BACTÉRIAS/ARQUEOBACTÉRI AS

# Constituem um grupo de células procariotas morfológica e fisiologicamente variadas. # As arquibactérias podem não ter paredes ou ter paredes incomuns compostas de polissacarídeos e proteínas, mas não de peptideoglicana. # A parede celular, quando presente, apresenta uma substância similar a peptideoglicana, denominada pseudomureína. # A pseudomureína contém ácido N- acetiltalosaminurônico ao invés de N- acetilmurâmico, e não possui os D- aminoácidos encontrados nas paredes celulares bacterianas. # Alguns grupos de arquibactérias possuem propriedades únicas, como constituintes celulares incomuns; outras vivem em ambientes adversos a ponto de inibir muitas outras formas de vida. #Atualmente, 4 principais grupos de arquibactérias são reconhecidos:

Possuem parede celular: o Metanogênicas o Halobactérias o Arquibactérias dependentes de enxofre

Não possuem parede celular: o Termoplasmas

DANO À PAREDE CELULAR #As substâncias químicas que lesam a parede celular bacteriana ou interferem com sua síntese freqüentemente não lesam as células eucarióticas. #Drogas antimicrobianas que atuam na PC:

Lisozima: enzima presente nas lágrimas, muco e saliva de animais

o É particularmente ativa sobre os principais componentes da PC, da maioria das bactérias G+, originando a ocorrência de uma célula sem parede e esférica, denominada protoplasto.

o Quando a lisozima atua nas células G- , a parede não é destruída na mesma extensão que as G+; parte da membrana externa também permanece, originando uma célula esférica, denominada de esferoplasto.

o As células G- , devem ser tratadas previamente com ácido etilenodiaminatetracético (EDTA), pois este enfraquece as ligações iônicas na membrana externa, favorecendo o acesso da lisozima a peptidioglicana.

o Lise osmótica de protoplasto e esferoplasto.

Penicilina: antibiótico que atua na formação das pontes cruzadas peptídicas da peptideoglicana, impedindo assim a formação de PC funcional.

o A maioria das G- , não são sensíveis à penicilina, pois a membrana externa forma uma barreira que inibe a entrada desta e de outras subtâncias.

o Antibióticos beta- lactâmicos.

FLAGELOS #Apêndices muitos finos constitídos por 3 partes:

Estrutura basal Gancho Filamento externo à parede celular

#Função: locomoção #Composição: subunidades de proteína - flagelina #Classificação: flagelos polares (Pseudomonas) flagelos peritríquios (Escherichia coli) #Como os flagelos movimentam as células?

Hipótese 1: as proteínas se contraem e relaxam, produzindo um movimento vibratório que puxa ou empurra o organismo.

Hipótese 2: mecanismo rotatório #Velocidade de locomoção: Vibrio comma – 200 m/s Spirillum serpens – 50 m/s Observação1: Algumas bactérias se aproximam ou se afastam

de substâncias químicas ou de condições físicas – resposta táxica

Quimiotaxia: movimento em função de um agente químico.

Fototaxia: movimento em função de uma fonte de luz.

Observação2: A proteína flagelar antígeno H, é usada para diferenciar as variações dentro de uma espécie de bactérias Gram - .

Ex. 50 antígenos H diferentes para a E.coli: os antígenos identificados como E.coli O157:H7 estão associados a epidemias de toxiinfecção alimentar.

Observação3: Filamentos axiais (endoflagelos)

Treponema pallidum (sífilis)

FÍMBRIAS (PÊLOS) #Apêndices filamentosos menores, mais curtos e mais numerosos que os flagelos. #Composição: proteína - pilina #Não estão relacionados à locomoção #Função: 1.Sítios de adsorção de vírus bacteriano 2. Mecanismo de aderência as células de mamíferos e a outras superfícies. Pili / Pêlo F (sexual) – porta de entrada de material genético durante a conjugação bacteriana (transferência de material genético de uma célula a outra).

Mais longos que as fímbrias, um ou dois/célula.

GLICOCÁLICE # É um polímero viscoso e gelatinoso que está situado externamente à parede celular, constituído por polissacarídeo, polipeptídeo ou ambos. # Pode tomar a forma de uma cápsula ou de uma camada viscosa.

Natureza química: polissacarídica (dextrano, dextrina, levano e celulose) Polipeptídica (polímero de ácido glutâmico)

Função: envoltório protetor Reservatório de alimentos armazenados Local de despejo de substâncias de excreção Presença de cápsulas aumenta o poder infectante em

algumas bactérias.

I NCLUSÕES CI TOPLASMÁTI CAS

- POLÍ MEROS DE POLI - HI DROXI - ALCANOATOS o Ácido poli-- OH butírico o Gêneros: Mycobacterium, Bacillus, Azotobacter, Spirillum o Evidenciado por corantes lipossolúveis: Sudão

- GRÂNULOS DE ENXOFRE o Bactérias do Enxof re – Gênero Thiobacillus: oxidam S e

com[postos contendo S para obterem energia; o Armazenam grânulos de S, como reserva de energia.

- CARBOXI SSOMOS o I nclusões – enzima ribulose 1,5 di P carboxilase o Bactérias autotrófi cas o Bactérias nitrifi cantes, cianobactérias e tiobacilos

- VACÚOLOS DE GÁS o Cavidades ocas no interior da célula o Consistem de vesículas de gás individuais

(recobertos/ proteína) o Cianobactérias, bactérias f otossintéticas anoxigênicas,

halobactérias o Função: mantêm a flutuação para que as células possam fi car na

prof undidade apropriada.

- MAGNETOSSOMOS o I nclusões de Fe3O4 (reserva) o Bactérias Gram negativa: Aquaspirillum magnetotacticum (agem

como imãs) o Função: Locomoção até local de fi xação o Proteção da célula contra H2O2 o OBS: Produção de magnetita bacteriana (uso em fi tas

magnéticas

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Guanabara Koogan S.A., 2002, 829p. BROCK, T.D.; MADIGAN,M.T.; MARTINKO, J.M.; PARKER, J. Biology Microorganisms.

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Worth Publisher, 2ª ed., 1995. MAZA, L.M. et al. Atlas de Diagnóstico em Microbiologia. 1999. 216p. PELCZAR JR, M. J. Microbiologia: conceitos básicos e aplicações. Vol 1. 2a ed.. Makron

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Porto Alegre, 2000. (A maior parte das figuras escaneadas são desta fonte). TRABULSI, L.R et al. Microbiologia. Ed Atheneu, SP. 1999.