Estruturas Celulares

SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL Instituto Federal de Alagoas - Campus Piranhas ENGENHARIA AGRONÔMICA Estruturas Celulares Prof. (a): Juliana de Oliveira Moraes Piranhas - AL 2017 1. Células bacterianas 1

MORFOLOGIA CELULAR Forma celular Vocabulário essencial para microbiologia Principais morfologias celulares: Cocos (esferas) Bastonetes ou bacilos (cilindros) Espirilo (espiralado) Streptococcus (cadeia de cocos) Staphylococcus (aglomerado de cocos semelhante ao cacho de uvas) Apendiculadas (extensões celulares em forma de tubos) Quadradas Estrelas Existem variações das principais morfologias: bacilos longos, bacilos curtos, bacilos finos. 2

MORFOLOGIA E BIOLOGIA É impossível prever fisiologia, ecologia, filogenia, potencial patogênico, ou particularmente qualquer outra propriedade de uma célula procariótica simplesmente conhecendo sua morfologia. O que determina a morfologia de uma espécie em particular? Varias forças seletivas auxiliaram a definição da morfologia de uma determinada espécie. Otimização da captação de nutrientes Motilidade por deslizamento. A morfologia não é uma característica qualquer de uma célula, mas sim uma propriedade geneticamente codificada, que maximiza a adequação do organismo para o sucesso em hábitat especifico. 8

TAMANHO CELULAR A taxa metabólica de uma célula varia inversamente em relação do quadrado do seu tamanho. Em células muito grandes a captação de nutrientes eventualmente limita o metabolismo a um ponto em que a célula não é mais competitiva em relação a células pequenas. Vantagens de ser pequeno: Relação Superfície (S) e volume (V) (S/V) Quanto maior o tamanho da célula menor a S/V S/V afeta a célula em vários aspectos: Biologia/evolução Captação de nutrientes Taxa de crescimento Necessidade energética (células necessitam de menor concentração de nutrientes para manter ou duplicar sua população). Taxa de crescimento Taxa de duplicação de DNA Taxa de mutações MUTAÇÕES: Erros que ocorrem no momento da replicação de DNA Matéria-prima da evolução Quanto maior p numero de mutações maiores as possibilidades evolutivas. 9

Eucariontes Procariontes S/V menor Maior possibilidade de Correção de erros na duplicação do DNA (mutações) S/V maior Menor possibilidade de correção de erros na duplicação do DNA (mutações) Diferenças fundamentais no tamanho e genética entre células eucariotas e procariotas, são os principais motivos de o porquê os procariotos se adaptam mais rapidamente às mudanças nas condições ambientais, sendo capazes de explorar mais facilmente novos hábitats, que as células eucariotas. 2. Membrana citoplasmática e transporte 10

Membrana Citoplasmática ESTRUTURA DA MEMBRANA Estrutura que: Circunda o citoplasma e o separa do ambiente externo. Oferece integridade a célula e impede a morte celular Permite permeabilidade seletiva (servem de porteiras) COMPOSIÇÃO DA MEMBRANA Dupla camada de fosfolipídios com proteínas embebidas. Ácido graxos (hidrofóbica) Glicerol-fosfato (hidrofílica) Unidade de membrana: cada camada ou folha de fosfolipídio. Construção fundamental: a) superfície hidrofílico externas e b) interior hidrofóbico. 11

PROTEINAS DA MEMBRANA Estão envolvidas no metabolismo energético e transporte das células. Representadas por: Proteínas periféricas ou periplasmáticas: Estão voltadas para uma das faces da membrana Proteínas integrais: Incorporadas na membrana e entram em contato tanto com face externa quanto a face interna da membrana Proteínas transportadoras FUNÇÃO Transporte de solutos através da membrana Reações de transporte será contra o gradiente de concentração (deslocar nutrientes de um local menos concentrado para outro ambiente de maior concentração deste nutriente). O sistema de transporte exibem várias propriedades características: Efeito saturado Alta especificidade Altamente regulada Carreadores específicos (maior concentração) Carreadores de ALTA afinidade (menor concentração) 13

Membrana bactérias x arqueias BACTÉRIAS ARQUEIAS Possuem ácido graxo na composição Ausência de ácido graxo na composição (outros lipídeos) Bicamada de fosfolipídios Bicamada ou monocamada de fosfolipídios FUNÇÃO DA MEMBRANA Impedir o extravasamento passivo de substancias para dentro ou para fora Controle de fluidos. Servir de sítio de ligação de proteínas/enzimas Transporte de substancias Conservação de energia células eletricamente carregadas H+ = superfície externa da membrana OH- = superfícies internas da membrana Separação de carga : estado energizado (força próton-motiva) Força próton-motiva: responsável por: Transporte Motilidade Síntese de ATP 14

Permeabilidade Citoplasma: solução de sais, açúcares, aminoácidos, nucleotídeos e outras substâncias Porção hidrofóbica: barreira contra difusão de substancias polares Moléculas polares somente ultrapassam a membra com auxilio de proteínas transportadoras. Exceto moléculas muito pequenas e polares como água ultrapassam a membrana com auxilio de aquaporinas (proteínas) Transporte de substâncias Entrada de nutrientes e saída de resíduos. Transporte simples: Envolve apenas uma proteína transportadora ou carreador transmembranar Translocação em grupo: Sistema ABC (3 componentes) A - Proteínas de ligação ao substrato B - Transportador integrado a membrana (canal) C - Proteína que hidrolisa ATP ou composto rico em energia Essas proteínas sofrem mudanças conformacionais Abre/fecha O transporte pode ser de três tipos: Uniporte Contraporte Simporte 15

3. Parede celular das bactérias 17

Parede celular FUNÇÃO: Impedir a lise celular Dar forma a bactérias POR QUE CONHECER A ESTRUTURA? Nos permite entender a ação de agente antimicrobianos COMPOSIÇÃO Peptideoglicano: polissacarídeos compostos por dois derivados de açucares, além de aminoácidos como alanina, acido glutâmico, lisina ou ácido diaminopimélico (DAP) Divisão das bactérias em dois grupos: GRAM-positivas GRAM-negativas Peptiodeoglicano Folha que circunda a célula; Sintetizada adjacentes entre si; Cadeias são ligadas por ligações cruzadas de aminoácidos e ligações covalentes entre açucares; Essas ligações oferecem rigidez a parede celular; Quanto mais ligações cruzadas maior a rigidez da parede. O peptideoglicano pode ser destruído ou impedir a síntese por determinados agentes (lisozima/penicilina). Gram-positivas Ligação cruzada ocorre porte ponte inter peptídica, sendo o tipo e numero de aminoácidos presentes nessas pontes varável de espécie para espécie Gram-negativas Ligações peptídicas entre o grupo amino do ácido diaminopimélico DAP. 18

Embora permeável a pequenas moléculas, membrana externa é impermeável à proteínas e outros grandes moléculas. Periplasma: espaço entre membrana externa e membrana citoplasmática Porinas: canais presentes na membrana externa que permitem entrada e saída de solutos. Coloração de Gram e Parede celular Diferenças na composição da parede celular 19

4. Outras estruturas celulares de superfícies e inclusões 21

Produção de polissacarídeo CAMADA LIMOSA: Polissacarídeos frouxamente ligados a parede celular CAPSULA: Matriz compacta de polissacarídeo aderida firmemente a parede celular e ao peptideoglicano. Função: Adesão a superfície abióticas e bióticas Desenvolvimento e manutenção de biofilme Prevenção de desidratação Fator de virulência (capsula) Fímbrias e Pili Estruturas filamentosas que se projetam a partir das superfície da célula. FÍMBRIAS: adesão a superfícies recobre toda superfície celular PILI Semelhantes as fímbrias porém são longos e cada célula possui um ou dois. Mediadores de transferência genética (conjugação) Motilidade pulsantes deslizamento longo de uma superfície sólida. Pili tipo IV Tipo diferente de motilidade Células em forma de bastonetes Presente nos polos da célula bacteriana 22

Inclusões celulares Somente bactérias apresentam (20 gêneros de bactérias gram-negativas) Função: Reserva de energia ou substancias essenciais na forma insolúvel dentro de uma membrana de camada única. Tipos: INCLUSÕES MAGNETICAS Magnetossomos: particulas intracelulares compostas de óxido de ferro magnetita (Fe 3 S 4 ) e enxofre greigite (Fe 3 S 4 ) Orientação em um campo magnético POLÍMEROS DE ARMAZENAMENTO DE CARBONO Síntese de nucleotídeos e fosfolipídios, e ainda, ATP. POLIFOSFATOS, ENXOFRE E MINERAIS CARBONADOS Grânulos de enxofre elementar S 0 Fonte de energia para bactérias sulfurosas 23

Vesículas de gás Procariotos planctônicos flutuam em ambientes aquáticos. Cianobactérias Endósporos ENDO = no interior São células altamente diferenciadas que exibem extrema resistência ao calor, produtos químicos e radiação. São facilmente dispersos pela a ação do vento ou água. Estrutura de resistência Estágio de latência do ciclo de vida de uma bactéria Processo de esporulação Ativação: exposição a temperaturas subletais (elevadas por alguns minutos) Germinação: exposição a nutrientes específicos de aminoácidos, onde ocorre a perda da refringência microscópica do endósporo Extrusão: Endósporo Célula vegetativa envolve um intumescimento visível pela captação de água, proteínas e DNA. Por fim, a célula vegetativa emerge a partir do rompimento do endósporo. 24

Endósporo A estrutura difere das células vegetativas possuindo várias camada; Camadas: Camada mais externa: Exósporo envoltório proteico delgado Após o exósporo encontra-se as capas do esporo Córtex: Peptideoglicano com ligações frouxas Cerne Membrana citoplasmática Citoplasma possui ¼ do teor de água do citoplasma da célula vegetativa (gel); Nucleoide, ribossomos e outros constituintes da célula; 25

Endósporo Ainda no Cerne encontra-se: ácido dipocólico complexado com íons de cálcio, que protege o DNA de desnaturação e reduz a disponibilidade de água na célula. Pequenas Proteínas ácido-solúveis (PPASs) produzidas durante a esporulação; protegem o DNA da ação radiação UV e calor seco, e ainda, serve de fonte de energia e carbono na fase de extrusão. 5. Locomoção microbiana 26

Flagelos e motilidade natatória São apêndices finos e longos com uma das extremidades livre e a outra ligada a célula. Flagelo atua por rotação, empurrando ou puxando a célula através de um meio LÍQUIDO. A flagelação de uma célula pode ser: FLAGELAÇÃO POLAR: flagelo ligado a uma ou duas das extremidades das células. Flagelos lofotríquios: tufos de flagelos em uma das extremidades da célula Flagelos anfitríquios: tufos de flagelos em ambos polos da célula FLAGELAÇÃO PERITRÍQUIA : espalhados por toda superfície das células. FLAGELOS POLARES Movem-se rapidamente par um lado e para o outro. FLAGELOS PERITRÍQUIOS Movem-se lentamente em linha reta 27

Flagelos e motilidade natatória Filamento do flagelo: composto por varias cópias de proteínas FLAGELINA (20.000 moléculas). Crescem a partir da extremidade. ORGANIZAÇÃO DA ESTRUTURA: Base Filamento Gancho 28

Motilidade por deslizamento Movimento lento e suave; Ocorre em células em forma de bacilos; Movimentação em superfícies SÓLIDAS. Ocorre por vários mecanismo: Secreção de polissacarídeos limosos (extrusão limosa) Motilidade pulsante pili tipo IV Movimento das proteínas da superfície celular Quimiotaxia e outras taxias Taxia = movimento direcionado Quimiotaxia: resposta estímulos de agentes químicos/quimioreceptores Fototaxia: resposta a estímulos da luz/fotoreceptores Oscilação: : flagelo gira em sentido horário (sem movimento) Aerotaxia: aproximação ou afastamento do oxigênio. Osmotaxia: aproximação ou afastamento a ambientes de alta pressão iônica; Hidrotaxia: movem-se em direção a ága pu ao gradiente de direção crescente de água. Observado tanto em bactérias natatórias e bactérias deslizantes. Mecanismos: Corrida: flagelo gira em sentido anti-horário (em movimento) A corrida se da em direção ao agente atrativo de acordo com o gradiente de concentração. Oscilação: : flagelo gira em sentido horário (sem movimento) 29

Esses mecanismos se dão pela atuação de quimiorreceptores, que se ligam a substância químicas dispersas no ambiente. Enquanto se movimenta a célula monitora o estado químico do ambiente envolto da mesma. Pelo fato de serem capazes de aproximar-se ou distanciar-se de vários estímulo, as células procarióticas aumentam as possibilidades de competir de forma bem sucedida por recursos, e evitam efeitos nocivos de substancias que poderiam danificá-las ou matá-las. 6. Célula microbiana eucariótica 30

Células microbianas eucariontes Fungos, algas e protozoários. Diferem das células procarióticas pelo maior numero de organelas e núcleo individualizado por ser envolvido por membrana. Núcleo: Nucleólo Rico em RNA e proteínas ribossomais sito de síntese de RNAribossômicio Membrana interna Nucleoplasma Membrana externa Poros Mitocôndria Mitocôndria: Membrana externa Membrana interna: Cristais mitocondriais Matriz mitocondrial Hipótese da endossimbiótica 31

Hidrossomo Células que não são dotadas de mitocôndrias bactérias anóxicas ou anaeróbicas. Estrutura semelhante a mitocôndria, porém não possui enzimas que participam do ciclo do acido cítrico (ciclo de Krebs) Realizam fermentação: Piruvato => H2 CO2 => acetato Cloroplastos Organelas que possuem clorofila (fotorreceptor); Eucariontes autótrofos/ fotossíntese; Estroma = semelhante a matriz da mitocôndria; Contem a enzima Ribulose bifosfato carboxila (RubisCO) que participa no ciclo de Calvin. CO2 => compostos orgânicos 32

Organelas Organelas Função Reticulo endoplasmático (RE) RE-rugoso: sínteses de glicoproteínas RE-liso: síntese de lipídeos e carboidratos Complexo de Golgi Lisossomo Excreção e transporte de substâncias Digestão (bolsa de enzimas) Citoesqueleto Microtúbulos: 25nm de diâmetro Função: Manutenção da forma da célula Motilidade de flagelos e cílios Movimentação dos cromossomos na divisão celular Movimentação de organelas Microfilamentos: 7nm Função: manutenção da forma Motilidade por pseudopodes e durante a divisão celular. Filamentos intermediários: 8 a 12 nm Manutenção da forma Posicionamento das organelas 33

Flagelos e cílios Flagelos Apêndices filamentosos longos Flagelos do eucariontes: chicote Flagelos do procariontes: rotação Cílios Apêndices filamentosos curto Movimentação: semelhante a um chicote 7. Microscopia 34

Microscópios ópticos 10/27/2017 Microscopia É a ferramenta mais básica e antiga utilizada pelos microbiologistas no estudo de estruturas microbianas. Podemos dividir esses equipamentos em dois grupos: Microscópios ópticos: Faz uso de feixe de luz visível elétrons para obtenção da visualização de estruturas celulares. Microscópios eletrônicos: Faz uso de feixe de elétrons para obtenção da visualização de estruturas celulares. Campo claro Campo escuro Fluorescência Contraste de fase Contraste de interferência diferencial 35

Componentes 36

Índice de refração É a medida de capacidade de curvatura da luz em um meio. A coloração altera o índice de refração das amostras. Ampliação total Apresentam duas lentes: Lente objetiva 4x, 10, 40x e 100x Lente ocular 10 x ou 20x Máximo de aumento: 2.000x Uso de óleo de imersão: aumenta a capacidade de concentração de luz de uma lente (diminuindo os feixe de luz que iriam emergir para fora do campo visual) 37

Usado na lente objetiva de maior alcanço (100x) Como preservar da direção dos raios de luz? Uso de óleo de imersão (óleo mineral) Mesmo índice de refração do vidro Aumenta a potencia de resolução Resolução = capacidade das lentes diferençar detalhes e estruturas Microscópios ópticos de campo claro Estruturas podem ser observadas pela diferença de contraste existente entre as estruturas celulares e o meio circundante. Ocorre porque as células absorvem ou dispersão luz em graus variáveis. Geralmente faz uso de corantes (visualização de células mortas) 38

Microscópios ópticos de campo escuro Não faz uso de corante (células vivas) O organismo a ser observado é atingido somente lateralmente pela luz, pois a única luz que atinge a lente ocular corresponde àquela desviada pelo organismo observado e, dessa forma, o organismo parece claro em um fundo escuro. Técnica excelente para visualizar a motilidade microbiana, uma vez que os flagelos são atingidos por essa técnica. Faz uso de um condensador de campo escuro (disco opaco), o disco bloqueia a luz que poderia entrar na lente objetiva diretamente. Somente a luz que é refletida para fora (devolvida) da amostra entra na lente objetiva é visualizada, uma vez que não há luz de fundo direta (fonte de luz bloqueada). A amostra aparece iluminada contra um fundo preto. 39

Microscópios ópticos de fluorescência Algumas células sofrem fluorescência quando expostos a luz ultravioleta, já outras precisam ser corados. Fluorocromos = corantes florescentes Amostras são visualizadas luminosas e brilhantes. 40

Microscópios ópticos de contraste de fase Não faz uso de corantes (visualização de células vivas). Baseia-se no principio que as células diferem do seu meio quanto a seu índice de refração. A luz que atravessa a célula apresenta uma diferença na fase em relação a luz que atravessa o liquido circundante. Adição de um dispositivo chamado anel de fase que é acoplado a lente objetiva 41

Microscópios ópticos de contraste com interferência diferencial Semelhante ao contraste de fase, pois baseia-se na diferençado índice de refração. Utiliza condensador especial com diafragma anelar. Todavia, possui dois feixes de luz, e ainda, um prisma que separa cada luz, dando cores diferentes a amostras. Microscópios eletrônicos São utilizados para visualizar vírus ou estruturas intracelulares muito pequenas. Objetos menores que 0,2 µm (<0,0000002m) Faz uso de uma feixe de elétrons e lentes eletromagnéticas. Comprimento de onda dos elétrons são 100mil vezes menores que o comprimento de onda visível. Quanto menor o comprimento da onda melhor a resolução da imagem observada. de Transmissão (MET) Microscópios eletrônico de Varredura (MEV) 42

Microscópios eletrônico de transmissão (MET) Visualiza estrutura menores que 2,5 ηm (0,0000000025 m). Aumento: 10.000 a 100.000 x tridimensional. Morte da célula Feixe de elétrons, lentes magnéticas e lamina de cobre. Corte da amostra ultrafino, previamente preparado (fixado e desidratado e fatiado em fatias de 100 ηm de espessura. Projeção da sombra Platina ou Ouro (metais pesados) Pulverizados em um ângulo de 45 Coloração somente de um lado da célula, permitindo visualização da forma tridimensional (Micrografia eletrônica de transmissão). Coloração Faz uso de metais pesados (Chumbo, urânio) Coloração positiva: fixados na amostra Coloração negativa: causa opacidade do meio circundante. 43

Microscópios eletrônico de Varredura (MEV) Feixe de elétrons finamente focalizado (feixe eletrônico primário. O feixe primário passa pela amostra e arrasta elétrons (elétrons secundários) Elétrons secundários são transmitidos ao um coletor de elétrons amplificados para produzir uma imagem uma tela ou imagem fotográfica (micrografia eletrônica de varredura). Observação da superfície de células ou vírus. Aumento: 1.000 a 10.000x 45

Microscópio óptico Características Campo claro Utiliza luz visível Não visualiza estrutura me < 0,2 µm. Barato e fácil de usar. Necessário uso de corantes Campo escuro Usa condensador especial com disco opaco que bloqueia a entrada de luz diretamente na lente objetiva. Não é necessário uso de corantes Contraste de fase Utiliza condensador especial com diafragma anelar. Não é necessário uso de corantes Contraste com interferência diferencial Utiliza condensador especial com diafragma anelar. Feixe de luz separado por prisma, gerando cores diferentes na amostra. Não é necessário uso de corantes Fluorescência Fonte de luz ultravioleta Amostra emite luz, geralmente verde. 47

Exercicio de Fixação 1. Explique por que o vocabulário da morfologia celular das bactérias é essencial ara microbiologia? 2. Com base na razão superfície/volume celular (V/S) e na taxa de metabolismo Discuta a seguinte frase: A morfologia não é uma característica qualquer de uma célula, mas sim uma propriedade geneticamente codificada, que maximiza a adequação do organismo para o sucesso em hábitat especifico. 3. Cite aspectos essenciais que a composição da membrana citoplasmática e da parede celular são importantes para perpetuação dos seres procariotos no planeta. 4. Discuta como os apêndices celulares de movimentação são um fator importante para vida de seres procariotos. 5. Conceitue ataxia e suas vantagens para os seres que sofrem esse fenômeno. 6. Estrutura denominada de fímbrias e pilus são encontradas na superfície celular de algumas células procarióticas. Quais as vantagens evolutivas assegurada por estas estruturas? 7. Os microscópios evoluíram com as investigações científicas e atualmente temos vários equipamentos que possibilitam a visualização de estruturas celulares diminutas. Diante disto, discuta a importância do uso de microscópios ópticos e eletrônicos para vida no planeta. Obrigada!!! 48