NUTRIÇÃO E CRESCIMENTO MICROBIANO

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1 CRESCIMENTO MICROBIANO: NUTRIÇÃO E CRESCIMENTO MICROBIANO Em microbiologia, o termo crescimento refere-se a um aumento do número de células e não ao aumento das dimensões celulares. Crescimento Microbiano = associado ao crescimento de uma população de células (uma célula dará origem a duas ao fim de um certo tempo, tempo de geração ou de duplicação.) CURSO DE ODONTOLOGIA Disciplina de Microbiologia Profa. Dra. Vanessa R. Santos Crescimento Microbiano FATORES NECESSÁRIOS PARA O CRESCIMENTO 1. Fatores necessários para o crescimento Fatores Químicos (Nutrientes) Fatores Físicos 2. Meio de Cultura Meio Complexo Meio Definido - : água fontes de carbono e nitrogênio minerais oxigênio fatores orgânicos - : temperatura ph pressão osmótica (concentração de sal) 1. ÁGUA: a) CARBONO: - Essencial para os microrganismos - Disponibilidade variável no ambiente Ambiente com < concentração de água: desenvolvem mecanismos para obter água através do aumento da concentração de solutos internos seja pelo bombeamento de íons para o interior celular ou pela síntese de solutos orgânicos (açúcares, álcoois ou aminoácidos). - essencial para a síntese de todos os compostos orgânicos necessários para a viabilidade celular (elemento estrutural básico para os seres vivos) - organismos quimio-heterotróficos: obtém C a partir de materiais orgânicos como proteínas, carboidratos e lipídeos. - organismos foto-autotróficos: obtém C a partir de CO 2 e íons de bicarbonato, pelos quais conseguem todos os elementos orgânicos necessários para sua nutrição. 1

2 b) NITROGÊNIO, ENXOFRE - N, S: síntese de proteínas - N, P: síntese de DNA e RNA, ATP Peso seco de uma célula bacteriana: 14 % N, 4 % S, P NITROGÊNIO - utilizado para sintetizar os grupos aminos presentes nos aminoácidos. Obtenção de N: - Decomposição de materiais orgânicos (proteínas, aminoácidos) - Amônia (NH4 + ) - Nitrato (NO 3- ) b) NITROGÊNIO, ENXOFRE ENXOFRE - utilizado na síntese de aminoácidos contendo S e de vitaminas (tiamina e biotina). Fontes naturais de S: íon sulfato (SO 4-2 ), sulfito de hidrogênio, aminoácidos FÓSFORO - essencial para a síntese dos ácidos nucléicos e para os fosfolipídeos componentes da membrana celular. Fontes naturais de P: íon fosfato (PO 4-3 ), DNA, RNA, ATP 3. OXIGÊNIO c) POTÁSSIO, MAGNÉSIO E CÁLCIO: - também são elementos essenciais para os microrganismos - frequentemente encontrados como co-fatores para as reações enzimáticas. d) ELEMENTOS TRAÇOS: - FERRO, COBRE, MOLIBDÊNIO, ZINCO - utilizados como co-fatores essenciais para atividade de algumas enzimas utilizar água destilada para meio de cultura contém todos os elementos traços - extremamente importante no desenvolvimento microbiano - organismos classificados em: 1. AERÓBIOS - Estritos (obrigados): necessitam de O 2 - Facultativos: não necessitam de O 2 mas crescem melhor com O 2 - Microaerófilo: necessitam de O 2 mas em níveis menores 2. ANAERÓBIOS - Aerotolerantes: não necessitam de O 2 mas crescem melhor sem O 2 - Estritos (obrigados): não toleram O 2 (letal) Figura 1 AERÓBIO ESTRITOS ANAERÓBIO ESTRITO AERÓBIO FACULTATIVO MICRO ANAERÓBIO AERÓFILO AEROTOLERANTES 1. TEMPERATURA: Catalase e a superóxido dismutase reduzem para H 2 O os compostos tóxicos. alta [O 2 ] catalase sem O 2 ausência: catalase alta e baixa [O 2 ] catalase baixa [O 2 ] Figura 1. Efeito do oxigênio sobre o crescimento de vários tipos de bactérias. alta e baixa [O 2 ] A maioria dos microrganismos cresce bem nas temperaturas ideais para os seres humanos. - Temperatura de crescimento mínima: < temperatura onde a espécie é capaz de crescer - Temperatura de crescimento ótima: onde a espécie apresenta melhor crescimento - Temperatura de crescimento máxima: > temperatura, onde ainda é possível o crescimento Figura 2 2

3 1. TEMPERATURA: Microrganismos são classificados em 3 grupos: - Psicrófilos: crescem em baixas temperaturas (-10 a 15 C) - Mesófilos: crescem em temperaturas moderadas (10 a 50 C) - Termófilos: crescem em altas temperaturas (40 a 70 C) Termófilos extremos (68 a 110 C) Figura 2. Taxa de crescimento vs. temperatura Figura 3 Termófilos extremos 2. ph: - refere-se a acidez ou a alcalinidade de uma solução; - maioria dos microrganismos cresce melhor perto da neutralidade (ph 6,5 7,5); - poucas bactérias são capazes de crescer em ph ácido (como ph 4,0) Figura 3. Curva de crescimento característica de diferentes microrganimos Exceções: - Bactérias acidófilas: alto grau de tolerância à acidez(thiobacillus de 0,5 a 6,0 com ótimo entre 2 e 3,5) - Bactérias alcalifílicas: (Bacillus e Archaea) (ph 10 11). Figura 4 3. PRESSÃO OSMÓTICA: - Os microrganismos retiram da água a maioria dos nutrientes solúveis (conteúdo celular % de água) - Pressão osmótica: retira a H2O dentro da célula - Reação Hipertônica: perda de H2O do meio intracelular para o extracelular, através da membrana plasmática (meio com concentração de sais). - Plasmólise: diminuição da membrana plasmática da célula devido a perda de H2O por osmose. Figura 4. Distribuição de alguns microrganismos de acordo com o ph (Adaptado de Madigan et al., Brock Biology of Microorganisms, 2003) Figura 5 3

4 - material nutriente preparado em laboratório para o crescimento de microrganismos, cuja composição deve atender aos princípios expostos anteriormente; Figura 5. Taxa de crescimento de alguns microrganimos vs. a concentração de sal. Não Halófilos: não necessitam de sal e não toleram a presença no meio. Halotolerantes: não necessitam de sal mas toleram a presença no meio. Halófilos: necessitam de sal em uma concentração moderada Halófilos extremos: necessitam de sal em altas concentrações. - meio adequado para um determinado microrganismo; necessário conhecer a fisiologia das bactérias em estudo; o meio ideal para uma bactéria pode ser ruim para outra; CULTURA microrganismos que crescem e se multiplicam em um meio MEIO DEFINIDO Exemplo: cultivar uma bactéria como a Escherichia coli, habitante normal do intestino dos mamíferos. A partir da glicose e de sais minerais e outras substâncias do meio consegue fabricar todos os componentes necessários para sua nutrição. TENHO CONHECIMENTO DA COMPOSIÇÃO DO MEIO = DEFINIDO ADICIONO EXTRATO DE CARNE (RICO EM VITAMINAS E AMINOÁCIDOS) = Estado físico Sólido: placas de petri ou tubos Semi sólido Líquido MEIO COMPLEXO NÃO TENHO CONHECIMENTO DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA EXATA DO EXTRATO DE CARNE ESTADO FÍSICO: Líquido: Geralmente as bactérias tem maior facilidade em começar o seu desenvolvimento neste tipo de estado, principalmente se seu número é, de início, pequeno; Sólido: Quando há mais de um tipo de bactérias no material semeado, o crescimento final será constituído de uma mistura de bactérias. Para se estudar individualmente cada bactéria, precisa haver uma cultura pura. Para separá-las de uma cultura líquida é preciso semeá-las em um meio sólido. (Adiciona-se agentes solidificantes ex.: ágar) FUNÇÃO: - Seletivo: impede o crescimento das espécies indesejáveis Ex.: corantes básicos inibem o crescimento de bactérias Gram-positivas, enquanto outros componentes inibem as Gram-negativas. - Diferencial: conferem características especiais às colônias Ex.: bactérias fermentadoras de lactose, semeadas em meio contendo lactose e um indicador, dão colônias de cor diferente das nãofermentadoras, pois, crescendo, fermentam a lactose, originando o ácido lático, que faz mudar o indicador. Semi sólido: quando a quantidade de ágar ou gelatina é menor dando uma consistência intermediária (avaliar moo. móveis; tensões variadas de O 2 ). 4

5 CRESCIMENTO DAS CULTURAS BACTERIANAS MEIO DE ENRIQUECIMENTO: favorece o desenvolvimento de uma população bacteriana que esta em desvantagem entre outras populações. MEIOS REDUTORES: meios com reagentes, como o tioglicolato de sódio, que é capaz de se combinar com o oxigênio dissolvido eliminando este elemento do meio de cultura (específico para microrganismos anaeróbios). - DIVISÃO BACTERIANA: - FISSÃO BINÁRIA - BROTAMENTO - FASES DE CRESCIMENTO: - FASE lag - FASE log - FASE ESTACIONÁRIA - FASE DE MORTE CELULAR Fissão Binária CRESCIMENTO DAS CULTURAS BACTERIANAS DIVISÃO BACTERIANA: é considerado o aumento do número de indivíduos e não do tamanho celular. 1. BROTAMENTO: < nº de bactérias (forma um broto que quando atinge o tamanho da célula parental se separa) 2. FISSÃO BINÁRIA: - alongamento da célula e a replicação do DNA cromossomal; - início da invaginação da parede celular e da membrana plasmática; - em um determinado momento, as duas seções da parede celular de encontram; - produção de duas células-filhas individuais idênticas à célula mãe. Figura 6. Fissão binária bacteriana. Figura 6 (Adaptado de Tortora, G.J., et al., Microbiology,2003) CRESCIMENTO DAS CULTURAS BACTERIANAS FASES DE CRESCIMENTO TEMPO DE GERAÇÃO: é o tempo necessário para uma célula se dividir (e sua população dobrar de tamanho). - tempo varia de acordo com o organismo; - depende das condições ambientais (nutricionais, temperatura, etc...) maioria das bactérias: 1 3 h CURVA DE CRESCIMENTO: demonstra o crescimento das células durante um período de tempo. É obtida pela contagem da população em intervalos de tempo após um inóculo de um número pequeno de bactérias em meio de cultura. FASE lag: pouca ou ausência de divisão celular (fase de adaptação) - 1 hora (estado de latência, com intensa atividade metabólica) FASE log: início do processo de divisão (período de crescimento ou aumento logarítmo) (reprodução celular extremamente ativa, sensíveis as mudanças ambientais - * EFEITO DE ANTIBIÓTICOS) FASE ESTACIONÁRIA: velocidade de crescimento diminui nº de células vivas = nº de células mortas FASE DE MORTE CELULAR: nº de células mortas excede o de células novas. Figura 7 5

6 FASE Lag Fase de adaptação ao novo meio Intensa atividade metabólica Síntese das enzimas de indução Taxa de multiplicação é baixa FASE EXPONENCIAL ou Log Multiplicação é máxima e constante Taxa de multiplicação supera a taxa de morte celular FASE ESTACIONÁRIA Acúmulo de metabólitos tóxicos Falta de nutrientes taxa de morte celular igual a taxa de multiplicação 6

7 FASE DE DECLÍNIO Decréscimo na população Metabólitos tóxicos Falta de nutrientes taxa de morte celular supera a taxa de multiplicação Figura 7. Curva de crescimento bacteriano mostrando as 4 fases típicas. 7