Nutrição e Crescimento Bacteriano

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EBT0309A-Microbiologia: Nutrição e Crescimento Bacteriano
Universidade estadual paulista UNESP
Guia de estudo, definições e notas.
 - Crescimento.
 - Aumento do número de células microbianas (multiplicação celular) numa população. As bactérias se reproduzem por divisão binária onde cada célula origina duas, o tempo necessário para isso ocorrer é chamado de tempo de geração ou duplicação. Esse tempo varia entre minutos a dias, mas em geral é de 1-3h.
 - Crescimento exponencial (progressão geométrica).
· Fases do Crescimento
 - Considerando um cultivo "batch" ou batelada, onde o substrato é todo adicionado juntamente com a população bacteriana (ou de microrganismos unicelulares em geral) no início, e após o término do crescimento, o cultivo é encerrado (meio de cultura simples).
 Considerando também que não há inibidores, e que se trata de um cultivo exponencial temos uma curva de crescimento típica, com quatro fases distintas:
 - Fase LAG ou Latência: fase de adaptação, preparo de nutrientes e enzimas para a fase seguinte, de crescimento.
 - Não há aumento (crescimento) do número de células.
 - Fase rápida.
 - Fase LOG ou Exponencial: fase em que a cultura atinge o máximo crescimento exponencial, variando de acordo com vários fatores tais como os componentes do meio.
 - Máquina genética da célula mais trabalha.
 - Estacionária: Como não há renovação do meio de cultura durante o crescimento exponencial, esse não ocorre indefinidamente, os nutrientes acabam sendo exauridos ou os produtos excretados acabam inibindo o crescimento.
 Nessa fase não há incremento no número de células, mas há metabolismo ativo de manutenção das funções celulares.
 - Equilíbrio entre as células vivas e mortas;
 - Diminuição drástica no processo reprodutivo;
 - Ocorreu a produção de toxinas.
 - Declínio ou Morte: quando a cultura já exauriu e/ou há acúmulo de substâncias tóxicas, as células morreram acompanhadas de lise celular.
 Cinética do crescimento bacteriano
 - Segundo MONOD: Em condições ideias de crescimento em cultivo Batch, ou Batelada simples, (inoculo viável, fontes nutricionais, condições físico-químicas, ausência de inibidores de crescimento) temos:
 - dx/dt=k, X onde K é uma constante ou:
 - dt=ux*dt (considerando dt como intervalo infinitamente pequeno, há uma expectativa de biomassa (dX) proporcionando a soma X de células presentes no intervalo)
 - u (velocidade específica de crescimento)= (1/X)*dX/dt (eq. 1) ou dX/X=u*dt (eq. 2)
 - u=Expressa em h-1
 Integrando a equação 2 com to=0 temos: Ln X = Ln Xo + u.t (eq. 3) onde Xo=biomassa no início. Se ficar Ln X - Ln Xo = u*t e aplicando o conceito do log da diferença de Ln X- Ln Xo = Ln X/ Xo e extraindo esse Ln temos: 
 A eq 4 e 5 que pode ser escrita de forma exponencial também X/Xo = e^u*t ou X= Xo*e^u*t
 - A lei do crescimento, tais como crescimento exponencial vale para os procariontes e eucariontes que seguem o princípio da divisão binária, se houver condições ideias para o crescimento, tais como ausência de inibidores, e presença dos nutrientes necessários.
 Condições físicas necessárias para o crescimento
 - Temperatura:
 - Mesófilos: 25-40 °C.
 Patogênicas são geralmente mesófilas.
 - Psicrófilos: 0-20 °C.
 Mais frequentes entre 15-20 °C. Temperaturas maiores podem danificar a membrana citoplasmáticas.
 - Membrana rica em ácidos graxos insaturados.
 - Encontradas em águas frias. A maioria dos microrganismos marinhos estão nesse grupo. Alimentos conservados entre 4-10 °C por longos períodos são degradados por esses organismos. Tais microrganismos tem suas enzimas funcionando no frio, e se desnaturalizam rapidamente em temperaturas moderadas. Possuem membrana com ácidos graxos mais insaturados.
 - Termófilos: 45-85 °C.
 Crescem melhor entre 50-60 °C. Encontrados em áreas vulcânicas, nascentes quentes. A maioria são bactérias.
 - Membranas ricas em ácidos graxos saturados.
 As células eucarióticas não crescem a temperaturas superiores a 60 °C e isso pode estar associado às membranas das organelas internas que precisam permanecer porosas para fluxo de ATP e RNA. 
 - Enzimas são produzidas mais rapidamente que nos mesófilos e mais adaptadas a alta temperatura.
 - Existe arqueobactérias (bactérias mais antigas) capazes de crescer a 103 °C (Thermococcus) a 110 °C. (Pyrodictium). Essas são bactérias termófilas extremas.
 - pH
 - Acidófilas (crescem em pH muito abaixo de 7,0), neutras (pH 7,0) e alcaligênicas (pH muito acima de 7,0).
 * Substâncias tampões são colocadas no meio para manter o pH (KH2PO4 e K2PO4).
 - Independente do pH externo o microrganismo tem que manter o pH interno próximo a neutralidade, expulsando ou absorvendo íons hidrogênio da célula.
 - A maioria das bactérias crescem entre pH 4-9, algumas toleram pH alcalino (pH 11) tais como alguns *Bacillus.* Outras pH = 0,5 (*Thiobacillus*), encontradas em água ácidas de minas onde enxofre e ferro estão presentes.
 - Atmosfera
 - Aeróbios estritos - Anaeróbios facultativos- Anaeróbios estritos e Microaerófilos.
 - Aeróbios estritos não possuem sistema enzimáticos que utilizem o O2 tais como catalase, superóxido dismutase, citocromo-oxidase.
 - Catalase converte H2O2 em oxigênio molecular e água e a Peroxidade converte H2O2 em água. Eliminando os radicais peróxido e superóxido significa que não pode ser formado o OH.
 - Os radicais hidroxila são altamente reativos e podem danificar qualquer componente celular inclusive DNA,
 - Os microaerófilos podem usar oxigênio para produção de energia, mas ao contrário dos aeróbios não resistem níveis de oxigênio de 21% presentes na atmosfera, crescem melhor em ambiente com 1-15%. Ex: Campilobacter jejuni, Lactobacillus.
 
Fontes nutricionais:
 - Os microrganismos utilizam compostos nutricionais do meio de cultura para as reações catabólicas de produção de energia (catabolismo), e esta é utilizada na biossíntese das macromoléculas (anabolismo).
 - Os nutrientes podem ser divididos em:
 1. Nutrientes essenciais: imprescindíveis para o crescimento celular. 
 1. Não sintetiza, e que o corpo precisa receber de forma exógena.
 2. Nutrientes úteis e estimuladores do crescimento: não são essenciais para o crescimento celular.
 1. Podem ser fabricados pela célula.
 - Fatores de Crescimento: Vitaminas - Tiamina (B1), Riboflavina (B2), Niacina, Piridoxina (B6), Cobalamina (B12), Ácido fólico, Vitamina K, Biotina, PABA, Ácido Pantotênico.
 - Se faltar alguma coisa não há crescimento.
 - Balanceamento.
 - Ex: Nicotinamida - amida do ácido nicotínico (niacina), Riboflavina - FMN e FAD.
 - Aminoácidos essenciais.
Fontes de Energia:
 - Energia Luminosa (fotossintetizadores): utilizam a energia luminosa através da fotossíntese para a produção dos compostos orgânicos que serão utilizados no catabolismo.
 - QR: Coeficiente Respiratório - CO2 liberado/ O2 consumido.
 - Q.R =1 *Chlorella* e *Scenedesmus* utilizam autotroficamente - consomem C02, liberam O2 e fazem respiração, equilibrando a questão do CO2 e o O2.
 - Q.R > 1 pode indicar atividade fermentativa ou inibição da fotossintética (produção de CO2).
 -Fontes de Carbono (gera energia química):
 1. Carbono orgânico - ex: glicose, frutose - E. coli, Bacillus, bactérias patogênicas.
 2. Carbono inorgânicas - ex: CO2 - *Thiobacillus*, *Nitrobacter*, Nostoc.
 - Fontes de Nitrogênio.
 1. Nitrogênio orgânico - proteínas, aminoácidos, peptídeos, bases nitrogenadas, ureia, etc. 
 2. Nitrogênio inorgânico - Amônia (gás), sulfato de amônio, nitritos, nitratos.
 a. Redução do nitrato a nitrito, pela enzima nitrato redutase (molibdênio comocofator).
 b. O nitrito é convertido em amônia, através da glutâmico desidrogenase, formando ácido glutâmico (utilizado para síntese de outros compostos nitrogenados), através de reações de transaminações.
 
 — Funções: Participam da formação das biomoléculas. Os nitratos/nitratos exercem papel adicional como fonte energética para alguns tipos bacterianos.
 - Minerais
 - Consumidos em maior quantidade: Sais de enxofre, Fósforo, Sódio, Potássio e Magnésio.
 - Participam como cofatores enzimáticos (Mg) ou como constituintes das macromoléculas, são utilizados em muito maior quantidade que os demais minerais.
 - Consumidos em menor quantidade: Sais de Zinco, Ferro, Molibdênio, Manganês, Cobalto etc.
 - Participam como cofatores enzimáticos.
 - Ajudam as enzimas se tornarem bem-sucedidas em sua função
Classificação dos microrganismos quanto a requerimentos energéticos:
 - Fototróficos ou fotossintetizadores (usam luz como fonte de energia), são divididas em:
 1. Aquelas que fazem fotossíntese anoxigênicas (não envolve O2 nem hidrogênio da água), utilizam hidrogênio de H2S ou compostos orgânicos, Essas são aquáticas e pertencem aos subgrupos: 
 - Bactérias púrpuras que utilizam e armazenam enxofre como doador de hidrogênio (Chromatium e Thiospirillum) ou não (Rhodospirilum) e as bactérias verdes que utilizam enxofre (Chlorobium).
 2. As cianobactérias fazem a fotossíntese convencional como os eucariotos, na presença da água, ou fotossíntese oxigênica, porque gera oxigênio a partir da hidrólise da água gerando elétrons e prótons. O receptor final de elétrons é o NADP que se transforma em NADPH2.
 
 Os fototróficos também podem ser agrupados em:
 1. Fotoheterotróficos (fotoorganotróficos), onde a fonte de carbono é um composto orgânico.
 2. Fotoautotrófico (fotolitotróficos), utilizando CO2 como fonte de C. (Cianobactérias). Bactérias púrpuras que utilizam e armazenam enxofre ou as bactérias verde.
 - Quimiotróficos (Usam energia química extraída de compostos orgânicos e inorgânicos.)
 - Quimiolitotróficos (ou quimioautotrófico): oxidam compostos inorgânicos como FTE energia, e CO2 como fonte de C.
 - Quimiorganotróficos (ou quimioheterotrófico): oxidam compostos orgânicos, utilizam as vias de fermentação e respiração aeróbia ou anaeróbia tendo como fonte de C um substrato orgânico.
 - A decomposição da matéria orgânica pode usar qualquer um desses processos.
 - Classificação dos microrganismos quanto a fonte de Carbono.
 - Autotróficos - bactérias que usam CO2 como única fonte de carbono.
 - Heterotróficos - bactérias que utilizam fonte de c. orgânica.
Meio de Cultivo:
 - Classificação quanto à composição:
 - Sintético ou Definido: os nutrientes são todos conhecidos e quantificados, normalmente usamos nutrientes ouros para formulação do meio.
 Normalmente é muito caro e usado para pesquisas.
 - Complexo: os nutrientes não estão definidos e nem sabemos a quantidade deles, normalmente usamos extratos vegetais ou preparados de origem animal.
 Meio mais barato e usado.
 - Ex: extrato de levedura, batata, infusão de cérebro e coração de animais, peptona.
 - Classificação dos meios quanto a função na microbiologia:
 - Meio enriquecedor: contém extratos nutritivos de carne, levedura, sangue e soro.
 - Meio seletivo: presença de certas fontes nutricionais específicas.
 - Meio diferencial: contém certos produtos que diferenciam visualmente certas propriedades como hemólise, produção de H2S, pigmentação de colônias etc.
 - Meio de contagem de microrganismo: Plate count agar ou meio de contagem padrão.
 - Meio de estocagem ou de manutenção: geralmente meios mais pobres nutricionalmente, para o crescimento seja propositalmente mais lento.
 - Meio rico ou mais pobre: o meio rico contém mais nutrientes essenciais tais como fatores de crescimento, vitaminas e aminoácidos essenciais. O meio pobre em geral é mais barato e usado para culturas que são menos exigentes do ponto de vista nutricional.
Propagação em cultivos biotecnológicos:
 - A produção biotecnológica de diferentes biomoléculas depende de um aumento de escala de volume do cultivo que segue uma proporção (em geral 5-10% do volume da escala anterior), começando de um tubo de ensaio, passando para frascos Erlenmeyer até fermentadores de diferentes tamanhos.
Teoria do Barril recordado:
- A nutrição é como um barril recortado de forma irregular na parte superior. Quando você enche de água esse barril, a parte mais superior ou a parte mais inferior do recorte?
 - A mais inferior, nivelamento por baixo. A nutrição também funciona assim, por isso é necessário um balanceamento dos nutrientes essenciais à célula.