MORFOLOGIA E ULTRA- ESTRUTURA DE BACTÉRIAS

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1 MORFOLOGIA E ULTRA- ESTRUTURA DE BACTÉRIAS Biologia IV Profa. Dra. Ilana Camargo A célula procariótica típica Corte transversal de uma bactéria. a) Esquema. b) Micrografia. (Fonte: Tortora et al., 2005) 1

2 Tamanho das células Fonte: Madigan et al., 2004 Tamanho das células - gigantes Epulopiscium sp, bactéria endossimbionte de peixes herbívoros marinhos. Células podem atingir o tamanho de 600 µm por 80 µm. 2

3 A célula procariótica x célula eucariótica DNA (material genético) não está envolvido por uma membrana e ele é um cromossomo circular. DNA não está associado a proteínas histonas. Não possuem organelas revestidas por membranas. Parede celular contendo quase sempre peptídeoglicano. Geralmente divisão celular por fissão binária (envolve menos estruturas e processos que a divisão de eucariotos). 3

4 Procariotos - bactéria 1 Cromossomo DNA de dupla fita, circular, grande E. coli 1,3 m de comprimento - 4,2 x 10 3 kb Mycoplasma 750 kb Exceção: Brucella abortus 2 cromossomos diferentes Replicação de DNA bacteriano Procariotos - bactéria E. coli - 4,2 x 10 3 kb - ~4300 genes Célula humana: Quantidade de DNA: mais de 1000 vezes superior; Número de genes: 7 vezes maior 4

5 Plasmídeos DNA circular pequeno, de dupla fita, além do cromossomo bacteriano; São elementos genéticos extra-cromossômicos: não estão conectados ao cromossomo bacteriano principal e replicam-se independentemente do DNA cromossômico; Plasmídeos Contém de 5 a 100 genes não cruciais para a sobrevivência da bactéria em condições ambientais normais; Podem ser ganhos ou perdidos sem lesar as células; Alguns conferem a vantagem da transferência de genes de resistência aos antibióticos, tolerância aos metais tóxicos, produção de toxinas e síntese de enzimas. Podem ser utilizados para a manipulação genética. 5

6 Plasmídeos Conjugação - Origem de replicação para produzir cópias que passam para células filhas na divisão celular ou para outra célula através da conjugação, - Integrativos que se inserem no cromossomo bacteriano ou não. Resistência aos antimicrobianos devido à aquisição de plasmídeos 6

7 Morfologia celular: Forma e arranjo Coco ovaladas Bacilo cilíndricas Morfologia celular: Forma e arranjo Células de várias espécies permanecem unidas em grupos ou conjuntos após a divisão celular Arranjos Frequentemente os arranjos são característicos de determinados gêneros Streptococcus sp. Gênero Staphylococcus sp. Arranjo Estreptococos Estafilococos 7

8 Morfologia celular: Forma e arranjo Espiral Forma de estrela: Stella Forma quadrada e plana: Haloarcula Forma helicoidal (saca-rolhas) com corpo rígido, movimentação com flagelos Bacilo torcido Intensamente espiralada Forma helicoidal (saca-rolhas) com corpo flexível, movimentação com filamento axial (flagelo contido em bainha externa flexível) Aula de hoje... o Parede celular o Estruturas internas à parede o Membrana citoplasmática o Inclusões o Endósporos o Estruturas externas à parede o Glicocálice (ou glicocálix) o Flagelos o Fímbrias e Pili o Locomoção da célula bacteriana o Flagelar o Deslizamento o Taxias (fototaxia, quimiotaxia) 8

9 Parede celular - Função o Estrutura complexa, semi-rígida e que confere forma à célula. o Previne a ruptura da célula (Lise celular) fornece rigidez contra a pressão de turgor (meio intracelular é geralmente mais concentrado em solutos que o meio externo). o Proteção contra choques físicos; o Essencial para crescimento e divisão da célula; o Importância clínica e taxonômica; o Visualização individualizada somente em microscopia eletrônica. Parede celular 9

10 Parede celular Gram-Positivo e Gram-Negativo Camada rígida Paredes celulares de Bacteria Diagrama esquemático das paredes celulares de bactérias Gram-positivo (a) e Gram-negativo (b) (Fonte: Madigan et al., 2004) 10

11 Parede das bactérias Gram-positivo o o o Muitas camadas (até ~25) de peptideoglicano (corresponde a 90% da parede). Apresentam ácido teicóico e lipoteicóico (polissacarídeo ácido, com resíduo de glicerol fosfato ou ribitol fosfato), que confere carga negativa à superfície celular, regulando o movimento de íons + (Ca 2+ e Mg 2+ ) na célula. Ácidos teicóicos respondem pela especificidade antigênica da parede, tornando possível a identificação de bactérias em testes laboratoriais. Ligação covalente com resíduos do ácido murâmico Ligação covalente com lipídeos da membrana Fonte: Madigan et al, Parede das bactérias Gram-negativo o o o Membrana externa composta de lipopolissacarídeo (LPS), lipoproteínas e fosfolipídeos. Periplasma espaço entre a MP e a ME fluido com alta concentração de enzimas e proteínas de transporte (consistência de gel). Uma ou poucas camadas de peptideoglicano (que não contém ácido teicóico). Fonte: Madigan et al,

12 Parede das Gram-negativo o Membrana externa o Permeável a pequenas moléculas pela presença de porinas, que permitem a passagem de moléculas hidrofílicas de baixa massa molecular (alguns nucleotídeos, dissacarídeos, peptídeos, aminoácidos, vitamina B12 e ferro). o Propriedade tóxica: associada ao lipídeo A (=endotoxina) do LPS. Exemplos de gêneros patogênicos Escherichia, Salmonella e Shigella. o Polissacarídeos O do LPS atuam como antígenos e são úteis para diferenciar espécies de bactérias Gram-negativas. Estrutura do lipopolissacarídeo de bactérias Gram-negativas. A composição química do lipídeo A e dos polissacarídeos é variável nas diferentes espécies. Fonte: Madigan et al,

13 Parede celular o Estruturas internas à parede o Membrana citoplasmática o Inclusões o Endósporos o Estruturas externas à parede o Glicocálice (ou glicocálix) o Flagelos o Fímbrias e Pili o Locomoção da célula bacteriana o Flagelar o Deslizamento o Taxias (fototaxia, quimiotaxia) Membrana citoplasmática dos procariotos Bicamada de fosfolipídios (invertidos) Porção hidrofílica Porção hidrofóbica 13

14 Membrana citoplasmática dos procariotos Estrutura de uma bicamada lipídica. Fonte: Madigan et al., o o Bacteria possuem hopanol, em substituição ao esterol das membranas dos eucariotos (o que torna a membrana menos rígida). Algumas bactérias possuem dobras internas da membrana citoplasmática onde localizam-se enzimas e pigmento envolvidos na fotossíntese (cromatóforos ou tilacóides). Membrana citoplasmática dos procariotos Funções: -Barreira para a maior parte das moléculas solúveis em água, é muito mais seletiva que a Parede Celular. - Sítio de localização de Permeases, proteínas específicas que transportam pequenas moléculas para dentro da célula; -Enzimas produzem energia e auxiliam a síntese da Parede Celular. 14

15 Membrana citoplasmática dos procariotos Proton motive force is composed of ph and (membrane potential) Redox loop and electron transfer chain Dehydrogenase + quionone + Proton pump + cytochrome + ATP synthase Membrana citoplasmática bacteriana Funções de barreira: Osmose e Difusão Permite a osmose - entrada de água quando em uma solução hipotônica (baixa concentração de soluto) e saída de água de dentro da célula para fora quando em solução hipertônica (alta concentração de soluto). Também permite a difusão simples, a entrada de moléculas pequenas como oxigênio e dióxido de carbono, dissolvidos por meio da membrana citoplasmática sem gasto de energia (um processo passivo); Entretanto, a maior parte dos nutrientes é transportada por permeases e requer gasto de energia (processo ativo) 15

16 Parede o Estruturas internas à parede Membrana citoplasmática o Citoplasma o Inclusões o Endósporos o Estruturas externas à parede o Glicocálice (ou glicocálix) o Flagelos o Fímbrias e Pili o Locomoção da célula bacteriana o Flagelar o Deslizamento o Taxias (fototaxia, quimiotaxia) Citoplasma Substância da célula dentro da membrana plasmática Espesso, aquoso, semitransparente, elástico 80% - àgua Proteínas (enzimas) Carboidratos Lipídeos Íons inorgânicos Compostos de peso molecular muito baixo Principais estruturas: DNA Ribossomos Inclusões 16

17 Inclusões da célula bacteriana Função de armazenamento de energia ou como reservatório de carbono (constituintes estruturais), ou desempenham funções especiais. Geralmente envolvidas por uma fina camada de lipídeos. O armazenamento de carbono ou de outras substâncias em uma forma insolúvel é vantajoso para a célula, pois reduz o estresse osmótico que existiria caso a mesma quantidade da substância fosse dissolvida no citoplasma. Polímeros de armazenamento de carbono PHB (ácido poli-β-hidroxibutírico): natureza lipídica (C4 ) Inclusões da célula bacteriana PHA (poli-β-hidroxialcanoato): nome coletivo para os grânulos acumulados, cujos polímeros podem variar de tamanho (C4 até C18). PHAs são sintetizados pelas células quando há um excesso de carbono, e são clivados para uso como fontes de carbono ou energia quando as condições o permitem. Glicogênio (polímero de glicose) Estrutura química do PHB. Micrografia eletrônica de uma seção da célula de Rhodovibrio sodomensis. 17

18 Inclusões da célula bacteriana Grânulos de polifosfato (volutina): reserva de fosfato inorgânico para ser usado na síntese de ATP, biossíntese de ácidos nucleicos e fosfolipídeos (também encontrados em algas, fungos e protozoários). Grânulos de enxofre: Thiobacillus (bactéria do enxofre) - glóbulos de enxofre no periplasma. A oxidação de sulfeto está associada à necessidade de elétrons para conduzir as reações do metabolismo energético (quimiolitotrofia) ou de fixação de CO 2 (autotrofia). Inclusões da célula bacteriana Magnetossomos: inclusões de óxidos de ferro - Fe 3 O 4 em algumas bactérias Gram-negativo. geram um dipolo magnético na célula, permitindo-a orientar-se em um campo magnético. exibem magnetotaxia, um processo de orientação ao longo das linhas do campo magnético da Terra. Função provável relacionada ao movimento atração magnética a sedimentos onde [ ] de O 2 é menor. Um magnetossomo individual é envolto por uma fina membrana composta por fosfolipídeos, proteínas e glicoproteínas Nenhuma arqueia contendo magnetossomos foi descoberta até o momento. 18

19 Inclusões da célula bacteriana Vesículas de gás: em procariotos aquáticos (cianobactérias, fotossintéticas anoxigênicas), com função de aumentar a flutuabilidade. Composição proteica: GvpA e GvpC Parede celular o Estruturas internas à parede Membrana citoplasmática Inclusões o Endósporos o Estruturas externas à parede o Glicocálice (ou glicocálix) o Flagelos o Fímbrias e Pili o Locomoção da célula bacteriana o Flagelar o Deslizamento o Taxias (fototaxia, quimiotaxia) 19

20 Endósporos Estruturas de resistência (ao calor, à agentes químicos, à dessecação, radiação), desidratadas e duráveis. São formados em condições de exaustão de nutrientes no meio. Geralmente em bactérias do solo, Gram-positivo (descritos em cerca de 20 gêneros de Bacteria). Não se observou em Archaea. Bem estudados nos gêneros Clostridium e Bacillus. Podem permanecer dormentes por longos períodos de tempo: Clostridium aceticum: 34 anos, frasco perdido em depósito da Universidade da Califórnia. Thermoactinomyces: anos. Fragmentos de ruínas de sítio arqueológico romano no Reino Unido. Formação do endósporo Condição de limitação de um ou mais nutrientes essenciais. Em B. subtilis, ~ 200 genes envolvidos no processo de esporulação. Processo completo pode levar 8 horas. Interrupção da síntese de proteínas envolvidas nas funções da célula vegetativa e ativação da síntese das proteínas específicas do esporo, em resposta a um sinal ambiental. Célula com metabolismo ativo e úmida Endósporo seco, metabolicamente inerte e extremamente resistente 20

21 Endósporos pequenas proteínas de ácido solúveis Replicação do DNA Desidratação Estrutura do endósporo Camadas adicionais e externas à parede celular que protegem o DNA, formadas basicamente por proteínas. Núcleo: parcialmente desidratado (contém de 10 a 30% de água da célula vegetativa) - inativa as enzimas, aumenta a termoresistência. Apresenta altas [ ] de PPASs (pequenas proteínas de ácido solúveis de esporo): liga-se ao DNA, protegendo-o de possíveis danos causados pela radiação, calor seco e dessecamento; pode ser utilizado como fonte de energia e carbono na germinação do esporo. Ácido dipicolínico: exclusivo dos esporos, corresponde a 10% do peso seco do esporo. Endósporo bacteriano. (a) MET de esporo maduro de Bacillus megaterium. (b) Fotomicrografia de fluorescência de célula de B. subtilis em esporulação. O corante liga-se a uma proteína da capa do esporo. Fonte: Madigan et al.,

22 Germinação do endósporo Ativada por lesão física (aquecimento) ou química no revestimento do esporo. Enzimas do endósporo rompem as camadas extras. Intumescimento devido à entrada de água; síntese de novas moléculas de RNA, proteínas e DNA (se condições nutricionais foram favoráveis). Germinação de um endósporo em Bacillus. (a) esporo maduro. (b) ativação perda de refringência. (c) e (d) extrusão nova célula emergindo. Fonte: Madigan et al.,

23 Coloração de Schaeffer-Fulton Bacillus anthracis Endósporos e células vegetativas Localização, tamanho e forma dos endósporos Esporos ovais: localização central (Bacillus cereus) Esporos esféricos: localização terminal (Clostridium tetani) Esporos ovais: localização subterminal (Clostridium subterminale) São mais freqüentes nos gêneros Clostridium e Bacillus. Geralmente em culturas que se aproximam do final de um crescimento ativo. 23

24 Atrapalhou a tentativa de contrariar a Teoria da Geração Espontânea Condições de experimentos não eliminavam as formas latentes de bactérias e fungos; No combate ao carbúnculo, os microbiologistas compreenderam que as formas latentes do bacilo do carbúnculo poderiam sobreviver no solo por anos!! Técnicas de semeadura 24

25 Isolamento de colônias para posteriormente obter cultura pura Objetivo dos métodos: Diminuir a população microbiana, assim as células individuais estarão localizadas a uma certa distância umas das outras. Para obter uma cultura pura, uma colônia individual é transferida do meio para outro em placa ou tubo. O bico de Bunssen e a zona asséptica/de segurança Zona Asséptica Bico de Bunssen 25

26 Manobras assépticas Manobras assépticas 26

27 Manobras assépticas 27

28 Swab de algodão esterilizado 28

29 Métodos de isolamento de microrganismos em cultura pura Métodos de isolamento de microrganismos: - Espalhamento em placa; - Pour-plate; - Esgotamento por estrias; 29

30 Método Pour Plate Método Espalhamento em placa Espátula de Drigalski 30

31 Método de espalhamento em placa Método de esgotamento em placa Por estrias 31

32 Por estrias Método de esgotamento em placa Por estrias 32

33 Cultura Pura Onde todas as células na população são idênticas e todas se originaram de uma mesma célula parenteral. Natureza - Culturas mistas: muitas espécies diferentes no mesmo ambiente Primeiro passo: Isolar as diferentes espécies contidas em um espécime (amostra). Cultura mista Cultura pura 33

34 Bibliografia - Madigan et al., Microbiologia de Brock. São Paulo:Prentice-Hall, 10ª ed., Capítulo 4. - Tortora et al., Microbiologia. Porto Alegre; ArtMed, 8ª ed., Capítulo 4. 34