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Introdução A ciência da microbiologia é inteiramente destinada ao estudo dos microrganismos e do modo como eles funcionam, especialmente as bactérias, um grupo extenso de células muito pequenas que possuem grande importância básica e prática. Estrutura e funções das células As células microbianas são compartimentos vivos que interagem com o meio circundante e com outras células de forma dinâmica. A seguinte figura representa uma visão geral da estrutura microbiana, observando-se meios de cultura desenvolvidos através da técnica de estriações em placas de Petri. Elementos da célula microbiana Todas as células possuem uma barreira de permeabilidade seletiva chamada de membrana citoplasmática que separa o interior da célula do ambiente externo. A parede celular confere resistência estrutural à célula, além de ser uma camada muito mais forte do que a membrana em si. ** Células de plantas e a maioria dos microrganismos possuem parede celular, enquanto as células animais, com raras exceções, não possuem. A análise da estrutura interna da célula revela dois padrões, chamados de procariota e eucariota. Os procariotas incluem os reinos Bacteria e Archaea e consistem em células pequenas e estruturalmente bastante simples. Os microrganismos eucariotas incluem algas, protozoários e outros protistas, bem como os fungos. Atividades microbianas - Metabolismo: acontece por meio da retirada de nutrientes do meio ambiente e transformação dos mesmos em novos materiais e resíduos celulares. - Crescimento: a produção dessas novas células a partir do metabolismo leva à divisão celular e formação de duas novas Introdução à Microbiologia e Contexto Histórico Nathália Muniz – Medicina Veterinária UFRB células. Portanto, crescimento se refere a um aumento no número de células em consequência da divisão celular. - Motilidade: é executada por meio de autopropulsão, permitindo que as células consigam se afastar de condições desfavoráveis e possam explorar novos recursos ou oportunidades de crescimento. - Diferenciação: pode resultar na formação de células modificadas especializadas em crescimento, dispersão ou sobrevivência. - Comunicação: as células respondem através de sinais químicos do ambiente ou de células circundantes vizinhas desenvolvendo novas atividades celulares. - Intercâmbio genético: transferência de genes entre células vizinhas, sendo elas da mesma espécie ou de espécies diferentes. Evolução É o processo de geração de descendentes com modificações, nos quais variantes genéticos (mutantes) são selecionados baseados na sua aptidão reprodutiva. Os primeiros fototróficos (organismos que armazenam energia através de luz solar) eram as: bactérias púrpuras ou as bactérias verdes, e outros anoxigênicos (que não utilizam oxigênio). Após o surgimento das primeiras células a partir de matérias inanimadas, seu crescimento subsequente originou populações de células, e estas começaram a interagir com outras populações celulares, formando comunidades microbianas. Com o desenrolar dos eventos evolutivos, três linhagens principais de células microbianas foram distintas: Bacteria: compreende todas as bactérias que infectam o homem; Archaea: bactérias metanogênicas, termófilas, acidófilas e halófilas; Eukarya: reinos animal, vegetal, fungos e protozoários. Formação da árvore filogenética Foi formada a partir dos genes do RNA ribossomal, e tem demonstrado a existência de milhares de espécies de bactérias e arqueias, bem como centenas de espécies de eucariotos microbianos. As ferramentas para a geração de filogenias microbianas em culturas puras de microrganismos foram adaptadas para uso em ambientes naturais, a fim de investigar a diversidade das comunidades microbianas. Ecossistemas microbianos O ambiente propriamente dito no qual uma população microbiana vive é chamado de hábitat. Populações de células interagem com outras populações em comunidades microbianas que são fortemente controladas pelos recursos disponíveis e pelas condições que prevalecem naquela comunidade. As populações podem interagir de diversas formas, sendo elas benéficas, neutras, ou prejudiciais, dependendo do seu habitat ou resíduos metabólicos que podem se apresentar favoráveis para um organismo e nocivo para outro. Por isso, denomina-se todos os seres vivos, juntamente com os constituintes físicos e químicos de seu meio ambiente, um ecossistema. Os principais ecossistemas microbianos são aquáticos (oceanos, lagoas, lagos, riachos, gelo, fontes termais), terrestres (solos superficiais, subsolo profundo) e organismos superiores (dentro de ou sobre plantas e animais). Microrganismos em ambientes naturais Em alguns hábitats microbianos, os organismos superiores não conseguem sobreviver devido ao fato de o hábitat ser composto de diversidades extremas para cada organismo. Esses “ambientes extremos” podem representar um desafio para qualquer forma de vida, porém, ainda assim, há existência de microrganismos nessa região, sendo chamados de extremófilos. Microrganismos como causadores de doenças No início do século XX, as principais causas de mortes humanas eram devido a patógenos virais, doenças infecciosas provocadas por bactérias. Não havia um controle rígido muito menos tratamento especifico. No entanto, atualmente, as doenças infecciosas são muito menos letais, principalmente nos países desenvolvidos. O controle dessas doenças é o resultado de uma combinação de avanços incluindo: Maior entendimento a respeito dos processos das doenças; Melhoria das práticas sanitárias e de saúde pública; Campanhas de vacinação ativas; Uso disseminado de agentes antimicrobianos, como os antibióticos. Contudo, é importante lembrar que embora os microrganismos representem uma ameaça para os indivíduos, boa parte deles não se situam nessa categoria e não são prejudiciais aos seres humanos, sendo até mesmo essenciais ao seu bem-estar. Microrganismos, agricultura e nutrição humana A agricultura se beneficia da ciclagem de nutrientes pelos microrganismos, como por exemplo, as leguminosas (fonte de alimento para humanos e animais) que utilizam o nitrogênio como fonte para seu crescimento. Também de grande importância agrícola são os microrganismos que habitam o rúmen de animais ruminantes, como o gado bovino e o ovino. O rúmen é um ecossistema microbiano no qual densas populações de microrganismos realizam a digestão e fermentação do polissacarídeo celulose, o principal componente das paredes celulares vegetais. Na ausência desses microrganismos simbióticos, os ruminantes não poderiam desenvolver-se a partir de substâncias ricas em celulose, porém pobres em nutrientes. Em humanos, a parte fermentativa de microrganismos fica responsável pelo cólon (intestino grosso). Auxiliam nos processos digestórios sintetizando certas vitaminas e outros nutrientes essenciais; Atuam na defesa de microrganismos patogênicos que podem chegar ao trato digestório (auxiliam por si só na eliminação e prevenção de patógenos bacterianos). Microrganismos, alimentos e meio ambiente Os microrganismos desempenham papéis importantes na indústria alimentícia, incluindo na deterioração de alimentos, segurança e produção. A segurança alimentar, por exemplo, busca o monitoramento constante dos produtos alimentícios para garantir que os mesmos se encontrem livres de patógenos. No entanto, outro papel desses microrganismos na indústria alimentícia está interligado à produção dos próprios alimentos, como a fermentação microbiana. Vários laticínios dependem dessa técnica para produção de ácidos característicos daquele produto. É o produto de fermentação (etanol, ou ácido láctico,propiônico ou acético) que preserva o alimento e confere a ele um sabor característico. Queijos, iogurte e manteiga, picles e algumas salsichas estão sujeitos à fermentação microbiana. Além disso, bebidas alcoólicas dependem da atividade fermentativa de leveduras que originam dióxido de carbono (CO2), para o crescimento da massa do pão, e álcool como um ingrediente essencial, respectivamente. Esses produtos também tem a importante função de preservar o produto alimentar do crescimento microbiano deléterio. Alguns microrganismos também produzem biocombustíveis. O álcool etílico (etanol), produzido pela fermentação microbiana da glicose a partir de matérias-primas como cana-de-açúcar, milho ou gramíneas de crescimento rápido, é um dos principais combustíveis para motores ou suplementos de combustíveis. Os microrganismos podem também ser utilizados na degradação de poluentes em um processo denominado biorremediação, em que os microrganismos são utilizados para consumir óleo derramado, solventes, pesticidas, e outros poluentes tóxicos ao ambiente. Outra associação é a microbiologia industrial, utilizada para produção de grandes quantidades de artigos de valor relativamente baixo, como antibióticos, enzimas e vários compostos químicos. Já a biotecnologia, emprega microrganismos geneticamente modificados para sintetizar produtos de elevado valor comercial, como a insulina ou outras proteínas humanas, normalmente em menor escala. Classificação Microbiana Sistemática - Taxonomia: caracteriza, nomeia e posiciona em diferentes categorias através de um ancestral comum. - Filogenia: mostrar relações de parentesco, para a reconstrução de árvores filogenéticas. Método fenotípico: comparações morfológicas, fisiológicas, metabólicas e químicas. Método genotípico: comparações de sequencias genômicas. Método filogenético: agrupamento com base em relações evolutivas (árvore filogenética). Classificação científica (taxonômica) - Organização; - Nomes científicos universais (latim), padronizando o nome das espécies. - Unidade de classificação (espécie). A diferenciação das espécies em organismos multicelulares (reprodução sexuada) funciona pela capacidade dois organismos, pertencentes ao mesmo grupo se reproduzirem e gerarem uma prolifértil. Já os organismos microbianos (reprodução assexuada), é definida por características genéticas e fenotípicas semelhantes entre si, apresentando um ancestral comum. Métodos para identificação de espécies Sequenciamento do RNAr 16S - Os três principais domínios biológicos - Definição de 10.000 espécies Técnica de hibridização - Pareamento total do DNA (organismo 1 marcado + organismo 2); - Os organismos precisam ter um ancestral comum; - Quanto mais semelhantes, maior o grau de radioatividade. Outros métodos de taxonomia Análise de genes individuais: recombinase (recA), girase (gyrB); Tipagem de sequências de multilocos (MLST): sequenciamento de vários genes constitutivamente expressos – diferenciação entre cepas. - Diferencia subgrupos da mesma espécie - Pode identificar patologias Fingerprinting de genomas: DNA submetido à digestão por uma enzima de restrição; Análise do sequenciamento de multigenes: genomas completos; Análise fenotípica. Obs: as identificações das cepas são intraespecíficas, gerenciando diferenças dentro da própria espécie. Classificação geral É dada através de uma hierarquia taxonômica (dividida em subgrupos da mesma família/semelhanças). Nomenclatura – Sistema binomial: Bacillus subtillis, Bacillus cereus. Classificação de procariotos Cerca de 84 filos identificados por RNAr 16 S Apenas 32 são cultiváveis 90% pertencem a 4 filos: Proteobacteria, Actinobacteria, Firmicutes e Bacteroidetes. Manual de Bergey: fornece uma referência para identificação de bactérias em laboratório, assim, como um esquema de classificação para bactérias. Classificação de eucariotos Também se baseou nas técnicas de taxonomia molecular (sequenciamento do RNAr), como também o sequenciamento de DNA que codificam a proteína tubulina do citoesqueleto, a RNA-polimerase, a ATPase e proteínas de choque térmico, adicionaram informações que não eram obtidas apenas com o sequenciamento do RNAr. Com isso, foi criada a árvore filogenética moderna de Eukarya. Morfologia de procariotos As bactérias são organizadas pelo tamanho, forma e arranjo; Possibilidade de identificar diferentes gêneros, aspectos, características; Relação proporcional: quanto maior a célula, maior será o seu gasto de energia. Variações de procariotos Quanto à forma Células esféricas: denominadas cocos, são geralmente arredondas. Células alongadas/bastonetes: chamadas de bacilos. Células espiraladas: chamadas de espirilos; possuem uma ou mais curvatura, sendo elas: • vibriões (forma de vírgula); • espirilos (forma helicoidal, espiralada e rígida); • espiroquetas (forma helicoidal e flexível). Bactérias filamentosas: são bastante alongadas e não possui denominação especifica. Quanto ao arranjo Os cocos podem ser: diplococos (duas células ligadas); estreptococos (formando cadeia); estafilococos (divisão em três planos com agrupamento na forma de cacho de uva). Os bacilos em sua maioria se apresentam isolados. Os diplobacilos aparecem em pares após a divisão, e os estreptobacilos, em cadeias. As formas espiraladas não possuem um arranjo concreto. Propriedades gerais do procarioto Ausência de membrana nuclear DNA de forma circular Transcrição e tradução acoplada Ribossomos diferente de eucariotos Presença de parede celular Transcrição policistrônica - A diferença estrutural é que o RNAm de bactérias frequentemente codifica para várias proteínas, sendo chamado de policistrônico, enquanto o RNAm de eucariontes, na maioria dos casos, codifica para apenas uma cadeia polipeptídica, sendo chamado monocistrônico. Citologia Estruturas essenciais Parede celular Membrana citoplasmática Citoplasma Estruturas não essenciais Fímbrias Flagelos Cápsula Parede celular Estrutura - Composta de peptideoglicano (polissacarídeo complexo), um polímero de açúcares mistos e aminoácidos. - Bastante rígida, compacta; - Exposta externamente protegendo a membrana (que é menos resistente); Funções - Garante a forma da bactéria; - Responsável pelo controle da pressão osmótica bacteriana; - Suporte de antígenos bacterianos; Coloração O padrão de coloração da parede celular é o que diferencia devido a sua estrutura, podendo ser classificada em uma bactéria gram-positiva ou gram-negativa. Há duas formas de estruturas de paredes celulares: uma parede fina que cerca a membrana celular e que retém o corante cristal violeta (bactéria Gram-positiva) ou uma parede fina colocada entre duas membranas fosfolipídicas (bactéria Gram- negativa). Gram-positiva Possuem parede celular com uma única e espessa camada de peptidoglicanos e com presença de ácido teicoico (que funciona como antígeno de superfície, favorecendo a aderência de outras bactérias); Essa espessa camada de peptideoglicanos confere maior resistência à bactéria; A fixação com cristal violeta, cora a célula na cor púrpura ou azul, porque retêm esse corante, mesmo sendo exposta ao álcool. Gram-negativa Possuem parede celular com duas camadas de membrana: uma interna, mais delgada, constituída por peptidoglicanos e a outra externa, de origem lipídica; O espaço entre as membranas é chamado deespaço periplasmático. Pela membrana externa ser mais permissível (delgada), consequentemente a bactéria será mais virolenta. Essa característica confere, portanto, menor resistência à bactéria; No processo de coloração, o lipídeo é dissolvido pelo álcool e libera o primeiro corante, cristal violeta; Ao término da coloração, essas células são visualizadas com a tonalidade avermelhada do segundo corante. Membrana citoplasmática Composição: fosfolipídios, proteínas, carboidratos e hopanoides (esteroide diferente do eucarionte). Funções Barreira seletiva de substâncias (potencial de membrana); Separa a parede celular do citoplasma; Força próton-motiva: transporte, motilidade e biossíntese de ATP. Estruturas essenciais Citoplasma - Área citoplasmática: citoplasma, ribossomo, grânulos de reserva (armazena moléculas necessárias para geração de energia, como grânulos de enxofre, nitrogênio, amônia, glicogênio e moléculas essenciais como aminoácidos). - Área nuclear: nucleóide e plasmídeo. Estruturas não essenciais Cápsula - Camadas superficiais externas de polissacarídeos; - Auxiliam na ligação dos microrganismos às superfícies sólidas; - Formação de colônias bacterianas - Forma a camada de biofilme nas células, “capa bacteriana”. - Mantém um fator de virulência – escape da fagocitose; - Prevenção da desidratação das células em ambientes menos hidratados; Esporo - Comum nos gêneros Bacillus e Clostridium; - Parede celular espessa (ácido dipicolínico); - Resistente a agentes físicos e químicos; - As bactérias podem adquirir essa característica em ambientes mais inóspitos (maior taxa de radiação, variação de temperatura); - Estrutura proteica de dupla membrana que mantém estruturas essenciais; Flagelo - Estruturas alongadas e delgadas; - Podem ser classificados em: monotríquia (flagelo único em um dos polos), lofotríquia (um agregado de flagelos em um dos polos), anfitríquia (flagelos em polos opostos) e peritríquia (fragmentos de flagelo distribuídos por toda bactéria); - Constituído de flagelina; - Proporcionam um movimento rotacional; - O movimento é diferente do observado em eucariontes, assim como sua estrutura; - Se divide em três partes: filamento, gancho e corpo basal; Fímbrias - São estruturas mais curtas e delicadas que os flagelos; -Prolongamentos de proteínas filamentosas; - Mais comuns em bactérias gram- negativas - Funções: troca de material genético, aderência bacteriana, deslocamento e comunicação entre bactérias. - Pode fazer reconhecimento com proteínas receptoras ou células do hospedeiro, desencadeando uma sinalização celular. Metabolismo microbiano Química e nutrição celular Organismos diferentes necessitam de complementos nutricionais distintos, e nem todos os nutrientes são exigidos na mesma quantidade. Alguns nutrientes, denominados macronutrientes, são necessários em grandes quantidades, enquanto outros, denominados micronutrientes, são necessários apenas em pequenas quantidades. Composição química de uma célula Todos os nutrientes microbianos são originados dos elementos químicos. Contudo, somente alguns poucos elementos dominam os sistemas vivos e são essenciais: hidrogênio (H), oxigênio (O), carbono (C), nitrogênio (N), fósforo (P), enxofre (S) e selênio (Se). Macronutrientes Carbono: a maioria dos procariotos precisam de compostos orgânicos (que contem carbono). Além disso, alguns microrganismos são capazes de produzir as suas próprias estruturas celulares a partir do dióxido de carbono (CO2), que são os seres autotróficos. Nitrogênio: uma célula bacteriana é composta de 13% de nitrogênio e praticamente todos os procariotos são capazes de utilizar o NH3 (amônia) como sua fonte de nitrogênio. Seguindo C, N e O e H (da água, H2O), muitos outros macronutrientes são necessários às células, mas geralmente em quantidades menores, como os seguintes compostos: Fósforo: requerido pela célula para síntese de ácidos nucleicos e fosfolipídios. Enxofre: é fornecido à célula na forma de sulfato (SO42-). Potássio (K): é necessário para a atividade de diversas enzimas. Magnésio (Mg): é necessário para a estabilização dos ribossomos, membranas e ácidos nucleicos, sendo também necessário à atividade de muitas enzimas. Cálcio (Ca) e Sódio (Na): são nutrientes essenciais para apenas alguns organismos, o sódio em particular para os microrganismos marinhos. Micronutrientes Os microrganismos utilizam de vários metais em pequenas quantidades para o crescimento e o principal deles a ser citado é o ferro. O ferro desempenha um papel importante na respiração celular e é um componente essencial de citocromos e proteínas que contêm ferro e enxofre envolvidos nas reações de transporte de elétrons. Além do ferro, vários outros metais são necessários ou metabolizados pelos microrganismos. Coletivamente, esses micronutrientes são denominados elementos- traço ou metais-traço. Os elementos-traço, normalmente, desempenham o papel de cofatores para enzimas. Fatores de crescimento São micronutrientes orgânicos. Os fatores de crescimento comuns incluem as vitaminas, porém aminoácidos, purinas, pirimidinas ou diversas outras moléculas orgânicas também podem ser fatores de crescimento para um ou outro organismo. A maioria das vitaminas vão ser utilizadas como coenzimas, que são componentes proteicos das enzimas. Meios de cultura Um meio de cultura é uma solução nutriente utilizada para promover o crescimento de microrganismos. Cultivo laboratorial Uma vez que um meio de cultura tenha sido preparado e esterilizado, organismos podem ser inoculados e permitir o seu crescimento. Dois tipos de meio de cultura podem ser inoculados no laboratório: meio de cultura líquido ou sólido. Meios de cultura líquidos: são solidificados com ágar, normalmente de 1 a 2%. Meios de cultura sólidos: imobilizam as células, permitindo que elas cresçam e originem massas isoladas e visíveis, denominadas colônias. As colônias bacterianas podem exibir várias formas e tamanhos diferentes. Classes do meio de cultura Meios definidos: quantidades precisas de compostos químicos inorgânicos ou orgânicos à agua destilada. Meios complexos: empregam componentes de produtos microbianos, animais ou vegetais, como a caseína, carne, soja, células de leveduras ou várias outras substâncias altamente nutritivas. Meio enriquecido: utilizado na cultura de microrganismos nutricionalmente exigentes, em que muitos dos quais são patógenos. Meio seletivo: contém compostos que inibem seletivamente o crescimento de alguns microrganismos, mas não o de outros. Meio diferencial: corresponde àquele ao qual um indicador, normalmente um corante, é adicionado, revelando por meio de uma mudança de coloração se uma reação metabólica em particular ocorreu durante o crescimento. - São bastante úteis na distinção de espécies bacterianas e no diagnostico clinico. Os meios de cultura precisam ser esterilizados antes do uso, e o processo de esterilização é obtido pelo aquecimento do meio em uma autoclave. As manipulações dessas culturas precisam ser assertivas e requer de técnicas assépticas, uma série de etapas que visam prevenir a contaminação durante a manipulação de culturas. Classes energéticas dos microrganismos Quimiorganotróficos e quimiolitotróficos A conservação de energia entre os microrganismos pode ser denominada em: Quimiotróficos: são organismos que conservam a energia a partir de compostosquímicos. Quimiorganotróficos: utilizam de compostos químicos orgânicos. Quimiolitotrofia: é a utilização da energia por meio da oxidação de compostos inorgânicos. Em praticamente todos os casos a energia é obtida a partir da oxidação do composto orgânico. Meios de obtenção da energia: Aérobicos: utilizam o oxigênio para obter energia; Anaeróbicos: extraem a energia somente na ausência de oxigênio; Anaeróbicos facultativos: podem metabolizar tanto na presença ou ausência de oxigênio. Autotróficos: usam, como fonte de carbono, um composto inorgânico (dióxido de carbono, monóxido de carbono). Heterotróficos: os que usam matéria orgânica como fonte de carbono. Fotoheterotróficos: são organismos que utilizam a energia luminosa na síntese de matéria orgânica. Fototróficos: contêm pigmentos que os permitem converter a energia luminosa em energia química e, portanto, não necessitam de compostos químicos como fonte de energia. Possui duas formas principais: Fotossíntese oxigênica ou Fotoautróficos - Há produção de oxigênio e é característica das cianobactérias (procariotos) e algas (eucariotos). Fotossíntese anoxigênica ou Fotoautróficos anoxigênicos - É realizada por bactérias púrpuras e verdes e pelas heliobactérias (todas as bactérias), e não resulta na produção de O2.
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