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Vários corantes utilizados em microbiologia são carregados positivamente, sendo, por essa razão, denominados corantes básicos. Exemplos de corantes básicos incluem o azul de metileno, o cristal violeta e a safranina. Corantes que conferem diferentes cores a diferentes tipos de células são denominados corantes diferenciais. Um importante procedimento de coloração diferencial, amplamente utilizado em microbiologia, é a coloração de Gram. Bactérias podem ser divididas em dois grupos principais: gram-positivas e gram-negativas. PRINCIPAIS MORFOLOGIAS CELULARES As células de alguns procariotos permanecem unidas em grupos ou conjuntos após a divisão celular, e os arranjos são frequentemente característicos. Por exemplo, alguns cocos formam longas cadeias (p. ex., a bactéria Streptococcus), outros são encontrados como cubos tridimensionais (Sarcina), e ainda outros, em conjuntos semelhantes a um cacho de uvas (Staphylococcus). Várias forças seletivas auxiliaram na definição da morfologia de uma determinada espécie. Alguns exemplos disso incluem a otimização da captação de nutrientes (células pequenas, e aquelas com elevadas proporções entre superfície e volume, como as células apendiculadas), mobilidade natatória em ambientes viscosos ou próximos a superfícies (células helicoidais ou espiraladas), motilidade por deslizamento (bactérias filamentosas), e assim por diante. Como os cocos e os bacilos diferem em sua morfologia? A morfologia celular é um bom indicador de outras propriedades da célula? Há vantagens significativas em ser uma célula pequena. As células pequenas apresentam maior área superficial, em relação ao volume celular, do que as células grandes; isto é, estas apresentam maior razão superfície– volume. A razão S/V de uma célula afeta vários aspectos de sua biologia, incluindo a sua evolução. Uma vez que a taxa de crescimento celular depende, entre outras coisas, da taxa de troca de nutrientes, a razão S/V maior das células menores permite uma troca de nutrientes mais rápida por unidade de volume celular, em comparação com células maiores. Como resultado, as células menores geralmente crescem mais rapidamente que as células maiores, e uma determinada quantidade de recursos (os nutrientes disponíveis para promover o crescimento) sustentará uma população maior de células pequenas que de células grandes. Toda vez que uma célula se divide, seu cromossomo também é replicado. Quando o DNA é replicado, podem ocorrer erros ocasionais, denominados mutações. Como a taxa de mutações parece relativamente igual em todas as células, grandes ou pequenas, quanto maior o número de replicações cromossômicas, maior será o número total de mutações na população celular. Pelo fato de as células procarióticas serem bastante pequenas e também geneticamente haploides (permitindo a expressão imediata de mutações), elas geralmente exibem uma capacidade de crescimento e evolução mais rápidos do que as células maiores, geneticamente diploides. Pode parecer que quanto menores forem as bactérias, maiores serão as vantagens seletivas na natureza. No entanto, isso não é verdade, uma vez que existem limites inferiores para o tamanho celular. Se considerarmos o volume necessário para abrigar os componentes essenciais de uma célula de vida livre – proteínas, ácidos nucleicos, ribossomos, e assim por diante – uma estrutura de 0,1 mm ou menor é insuficiente para fazer o trabalho, estando as estruturas de 0,15 mm de diâmetro no limite em relação a essa questão. Que propriedade física das células aumenta à medida que as células se tornam menores? Como o tamanho pequeno e o estado haploide dos procariotos acelera o seu processo de evolução? Quais são os limites aproximados do quão pequena uma célula pode ser? Por que isso acontece? As membranas citoplasmáticas de algumas bactérias são reforçadas por moléculas semelhantes a esteróis, chamadas de hopanoides. Esteróis são moléculas rígidas e planas que atuam reforçando as membranas de células eucarióticas, sendo que os hopanoides desempenham função similar em bactérias. Contrariamente aos lipídeos de bactérias e eucariotos, em que os ácidos graxos são unidos ao glicerol por ligações éster, os lipídeos de arqueias apresentam ligações éter entre o glicerol e suas cadeias hidrofóbicas laterais. Os lipídeos de arqueias, dessa forma, são desprovidos de ácidos graxos, por si só, embora a cadeia hidrofóbica lateral desempenhe o mesmo papel funcional que os ácidos graxos. Contrariamente às bicamadas lipídicas, as monocamadas lipídicas são bastante resistentes ao calor e, dessa forma, são amplamente distribuídas entre arqueias hipertermófilas, organismos capazes de crescer otimamente em temperaturas acima de 80°C. Desenhe a estrutura básica de uma bicamada lipídica e aponte as regiões hidrofílicas e hidrofóbicas. Quais são as semelhanças e diferenças dos lipídeos de membrana de Bacteria e Archaea? Em primeiro lugar, a membrana atua como uma barreira de permeabilidade, impedindo o extravasamento passivo de substâncias para dentro ou para fora da célula. Segundo, a membrana corresponde a um sítio de ancoragem para várias proteínas. Por que uma célula não pode depender apenas da difusão simples como mecanismo de captação de nutrientes? Por que um dano físico à membrana citoplasmática é potencialmente letal para a célula? A bactéria Escherichia coli metaboliza o açúcar dissacarídeo lactose, e a lactose é transportada ao interior das células de E. coli pela atividade de um transportador simples denominado lac permease, um tipo de simportador. Será visto em breve que as bactérias gram-negativas contêm uma região denominada periplasma, situada entre a membrana citoplasmática e uma segunda camada membranosa, denominada membrana externa, parte da parede celular gram-negativa. O periplasma contém muitas proteínas diferentes, várias das quais atuam no transporte, sendo denominadas proteínas periplasmáticas de ligação. Sistemas de transporte que contêm proteínas periplasmáticas de ligação, bem como um transportador de membrana e proteínas que hidrolisam ATP, são denominados sistemas de transporte ABC, sendo “ABC” um acrônimo de ATP- binding-cassette (cassete de ligação a ATP), uma propriedade estrutural de proteínas que se ligam a ATP. Os transportadores ABC são responsáveis pela captação de compostos orgânicos como açúcares e aminoácidos, nutrientes inorgânicos como sulfato e fosfato, e certos metais. Uma propriedade característica das proteínas periplasmáticas de ligação é a sua elevada afinidade pelo substrato. Essas proteínas podem ligar-se a seu substrato mesmo que ele esteja presente em concentrações extremamente baixas Embora as bactérias gram-positivas não apresentem periplasma, elas também possuem sistemas de transporte ABC. Em bactérias gram-positivas, no entanto, proteínas de ligação ao substrato (o equivalente funcional das proteínas periplasmáticas de ligação) estão ancoradas à superfície externa da membrana citoplasmática. Uma vez que elas se ligam ao seu substrato, essas proteínas interagem com um transportador de membrana para catalisar a captação ATP-dirigida do substrato. Compare e diferencie os transportadores simples, o sistema fosfotransferase e transportadores ABC em termos de: (1) fonte de energia, (2) alterações químicas do soluto durante o transporte e (3) número de proteínas envolvidas. Qual a principal característica das proteínas periplasmáticas de ligação que as torna ideal para os organismos que vivem em ambientes muito pobres em nutrientes? Além de proteger contra a lise osmótica, as paredes celulares conferem forma e rigidez à célula. muitos antibióticos têm como alvo a síntese da parede celular, deixando a célula suscetível à lise. Aparede celular gram-negativa, ou envelope celular, como é muitas vezes denominada, é constituída por pelo menos duas camadas, enquanto a parede celular gram-positiva é geralmente muito mais espessa, sendo constituída principalmente por um único tipo de molécula. As paredes celulares de bactérias apresentam uma camada rígida, que é a principal responsável pela rigidez da estrutura. Essa camada rígida, denominada peptideoglicano, é um polissacarídeo composto por dois derivados de açúcares – N-acetilglicosamina e ácido N-acetilmurâmico – além de alguns aminoácidos, incluindo L-alanina, D-alanina, ácido D-glutâmico e, ou L-lisina ou uma molécula estruturalmente similar, ácido diaminopimélico (DAP). Esses componentes estão associados para originar uma estrutura repetitiva chamada de tetrapeptídeoglicano. Em bactérias gram-negativas, a ligação cruzada do peptideoglicano é formada de uma ligação peptídica entre o grupo amino do DAP de uma cadeia de glicano e o grupo carboxil da d-alanina terminal da cadeia de glicano adjacente. Em bactérias gram-positivas, a ligação cruzada ocorre frequentemente por meio de uma curta ponte interpeptídica, sendo os tipos e o número de aminoácidos presentes nessa ponte variáveis de espécie para espécie. Em bactérias gram-positivas, cerca de 90% da parede celular é composta por peptideoglicano. Muitas bactérias gram-positivas apresentam moléculas ácidas, denominadas ácidos teicoicos, embebidas em sua parede celular. O termo “ácido teicoico” refere-se a toda a parede celular, a membrana citoplasmática e polímeros capsulares compostos por glicerol-fosfato ou ribitol fosfato. Determinados ácidos teicoicos são ligados covalentemente a lipídeos de membrana, e esses são denominados ácidos lipoteicoicos. Destrói a camada de peptideoglicano: enzima lisozima, uma proteína que cliva as ligações glicosídicas b-1,4 entre a N-acetilglicosamina e o ácido N- acetilmurâmico do peptideoglicano, enfraquecendo, assim, a parede. Quando isso acontece, a água consegue penetrar na célula e causar lise celular. Por que as células bacterianas necessitam de paredes celulares? Todas as bactérias apresentam parede celular? Por que o peptideoglicano é uma molécula tão resistente? Qual a ação da enzima lisozima? Em bactérias gram-negativas, apenas uma pequena quantidade da parede celular total consiste em peptideoglicano, enquanto a maior parte é composta pela membrana externa. Essa camada corresponde efetivamente a uma segunda bicamada lipídica, porém não é composta somente por fosfolipídeos e proteínas, como ocorre na membrana citoplasmática. Em vez disso, a membrana externa também contém polissacarídeos, de modo que o lipídeo e o polissacarídeo estão ligados formando um complexo. Por essa razão, a membrana externa é frequentemente denominada camada lipopolissacarídica ou simplesmente LPS. Além do seu papel em fornecer rigidez à parede das células gram-negativas, uma importante propriedade biológica do LPS está relacionada com sua toxicidade aos animais. Uma das principais funções da membrana externa consiste em impedir que proteínas cujas atividades aconteçam fora da membrana citoplasmática se difundam para longe da célula. Essas proteínas são encontradas em uma região denominada periplasma. Esse espaço, situado entre a superfície externa da membrana citoplasmática e a superfície interna da membrana externa. A membrana externa é relativamente permeável a moléculas pequenas (até mesmo moléculas hidrofílicas) devido à presença de proteínas, denominadas porinas, que atuam como canais, permitindo a entrada e saída de solutos. Durante a reação de Gram, a parede celular gram-positiva é desidratada pelo álcool, promovendo o fechamento dos poros na parede e impedindo a remoção do complexo insolúvel de cristal violeta-iodo. Por outro lado, nas bactérias gram-negativas, o álcool penetra rapidamente na membrana externa rica em lipídeos, extraindo o complexo cristal violeta-iodo da célula. Que componentes químicos são encontrados na membrana externa de bactérias gram-negativas? Qual a função das porinas e onde elas se localizam em um parede celular gram-negativa? Que componente celular das células gram-negativa apresenta propriedades de endotoxina? Por que o álcool promove o rápido descoramento das bactérias gram- negativas, mas não das gram-positivas? Parece celular de gram-negativa O peptideoglicano, um biomarcador-chave de bactérias, está ausente das paredes celulares de arqueias. Uma membrana externa também é comumente ausente em arqueias. Em vez disso, vários tipos de paredes celulares são encontrados em arqueias, incluindo aquelas contendo polissacarídeos, proteínas ou glicoproteínas. As paredes celulares de determinadas arqueias metanogênicas contêm uma molécula bastante similar ao peptideoglicano, um polissacarídeo denominado pseudomureína. O esqueleto da pseudomureína é composto por repetições alternadas de N-acetilglicosamina (também encontrada no peptideoglicano) e ácido N-acetiltalosaminurônico; este último substitui o ácido N-acetilmurâmico do peptideoglicano. A pseudomureína também se distingue do peptideoglicano pelo fato de as ligações glicosídicas entre os derivados de açúcares serem do tipo b-1,3 em vez de b-1,4, e os aminoácidos serem todos estereoisômeros L. O tipo mais comum de parede celular em arqueias corresponde a uma camada superficial paracristalina, ou camada S, como é chamada. As camadas S consistem em moléculas entrelaçadas de proteínas ou glicoproteínas. Como as arqueias não possuem peptideoglicanos, elas são naturalmente resistentes à ação da lisozima e do antibiótico penicilina, agentes que destroem os peptideoglicanos ou que interrompem sua biossíntese. Como a pseudomureína assemelha-se ao peptideoglicano? Como as duas moléculas diferem? Qual a composição de uma camada S? Por que arqueias são insensíveis à penicilina? Os termos cápsula e camada limosa são frequentemente utilizados indistintamente, porém os dois termos não se referem à mesma coisa. Tradicionalmente, se a camada é organizada em uma matriz compacta, que exclui partículas pequenas, como a tinta nanquim, é denominada cápsula. Essa estrutura é facilmente visível por microscopia óptica se as células forem tratadas com tinta nanquim e também podem ser vistas ao microscópio eletrônico. Em contrapartida, se a camada é mais facilmente deformável, ela não excluirá as partículas e será de visualização mais difícil; essa forma é denominada camada limosa. As cápsulas normalmente aderem firmemente à parede celular, e algumas são até mesmo ligadas covalentemente ao peptideoglicano. As camadas limosas, contrariamente, ligam-se frouxamente, podendo ser perdidas da superfície celular. Camadas superficiais externas têm várias funções. Os polissacarídeos de superfície auxiliam na ligação dos microrganismos às superfícies sólidas. Quando surge a oportunidade, bactérias de todos os tipos normalmente se ligam a superfícies sólidas, algumas vezes formando uma espessa camada de células, denominada biofilme. Os polissacarídeos extracelulares também desempenham um papel essencial no desenvolvimento e na manutenção dos biofilmes. Além da ligação, as camadas de superfície externas também podem desempenhar outras funções. Estas incluem a atuação como fatores de virulência em certas doenças bacterianas, e a prevenção da desidratação das células. As fímbrias e os pili são proteínas filamentosas que se projetam a partir da superfície de uma célula, podendo apresentar muitas funções. As fímbrias conferem às células a capacidade de adesão a superfícies, incluindo tecidos animais no caso de algumas bactérias patogênicas, ou de formação de películas (camadas delgadas de células sobre uma superfície líquida) ou biofilmes em superfícies sólidas.Os pili assemelham-se às fímbrias, porém são estruturas normalmente mais longas, estando presentes na superfície celular em uma ou poucas cópias. Duas funções bastante importantes dos pili incluem facilitar a troca genética entre as células em um processo chamado de conjugação, e impedir a adesão de patógenos a tecidos específicos do hospedeiro que eles venham a invadir. Uma célula bacteriana poderia dispensar uma parede celular caso possuísse uma cápsula? Por que sim ou por que não? Como as fímbrias distinguem-se dos pili, tanto estrutural quanto funcionalmente? Inclusões estão frequentemente presentes em células procarióticas. As inclusões funcionam como reservas de energia e/ou como reservatórios de carbono, ou desempenham funções especiais. 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. Um dos corpos de inclusão mais comuns em organismos procarióticos corresponde ao ácido poli-b-hidroxibutírico (PHB), um lipídeo formado por unidades de ácido b-hidroxibutírico. Outro produto de armazenamento é o glicogênio, que corresponde a um polímero de glicose e, assim como os PHAs, é um reservatório de carbono e energia, produzido quando há excesso de carbono no ambiente. Embora os glóbulos de enxofre aparentemente residam no citoplasma, eles estão presentes, na realidade, no periplasma. Algumas bactérias são capazes de orientar-se especificamente em um campo magnético pelo fato de conterem magnetossomos. A biomineralização de diversos minerais diferentes é catalisada por vários procariotos, contudo apenas no caso da Gleomargarita e dos magnetossomos é que há o desenvolvimento de inclusões intracelulares. Em que condições de crescimento você esperaria a produção de PHAs ou glicogênio? Por que seria impossível o armazenamento de enxofre por bactérias gram-positivas, como é observado em bactérias gram-negativas quimiolitotróficas oxidantes de enxofre? Em que os magnetossomos e as inclusões de Gleomargarita se assemelham e de que forma se diferem? Alguns procariotos são planctônicos, ou seja, apresentam uma existência flutuante na coluna de água de lagos e oceanos. Muitos organismos planctônicos são capazes de flutuar porque contêm vesículas de gás, estruturas que conferem flutuabilidade às células, permitindo que se posicionem em uma coluna de água de um determinado local. Os exemplos mais impressionantes de bactérias apresentando vesículas de gás correspondem às cianobactérias, que formam grandes acúmulos denominados florescências, em lagos ou outros corpos de água. As vesículas de gás são estruturas cônicas constituídas de proteínas; elas são ocas, rígidas, de comprimento e diâmetro variáveis. As vesículas de gás são compostas por duas proteínas diferentes. A principal proteína, denominada GvpA, corresponde ao envoltório impermeável da vesícula de gás em si e é uma proteína pequena, hidrofóbica e muito rígida, cujas cópias se alinham para formar as “nervuras” paralelas da vesícula. A rigidez é essencial na resistência da estrutura às pressões externas. A segunda proteína, denominada GvpC, atua reforçando o envoltório da vesícula de gás por meio de ligações cruzadas com as “nervuras” paralelas, formando um ângulo capaz de agrupar várias moléculas de GvpA. A composição e pressão do gás no interior de uma vesícula de gás é aquela na qual o organismo está suspenso. Qual gás está presente em uma vesícula de gás? De que forma uma célula pode se beneficiar ao controlar a sua flutuabilidade? De que modo as duas proteínas que compõem a vesícula de gás, GpvA e GpvC, são arranjadas, originando uma estrutura tão impermeável à água? Determinadas espécies de Bacteria produzem estruturas denominadas endósporos, durante um processo denominado esporulação. Os endósporos são células altamente diferenciadas que exibem extrema resistência ao calor, produtos químicos fortes e radiação. Os endósporos também são facilmente dispersos pela ação do vento, da água ou por meio do trato gastrintestinal de animais. As bactérias formadoras de endósporo são encontradas predominantemente no solo, sendo as espécies de Bacillus os representantes mais bem estudados. As células não esporulam quando se encontram em crescimento ativo, mas somente quando o crescimento cessa devido à exaustão de um nutriente essencial. Um endósporo pode permanecer dormente durante anos, porém pode converter-se novamente em uma célula vegetativa de forma relativamente rápida. Esse processo envolve três etapas: ativação, germinação e extrusão. A ativação acontece quando os endósporos são aquecidos por alguns minutos, a uma temperatura elevada, porém subletal. Em seguida, os endósporos ativados são estimulados a germinar quando colocados na presença de nutrientes específicos, como determinados aminoácidos. A germinação, um processo geralmente rápido (da ordem de alguns minutos), envolve a perda da refringência microscópica do endósporo, maior capacidade de coloração por corantes, e perda da resistência ao calor e produtos químicos. O estágio final, a extrusão, envolve um intumescimento visível decorrente da captação de água, e síntese de RNA, proteínas e DNA. Uma substância química característica de endósporos, mas ausente em células vegetativas, é o ácido dipicolínico, que se acumula no cerne. Alguns endósporos bacterianos sobrevivem ao aquecimento a temperaturas de até 150ºC, embora 121ºC, o padrão de esterilização microbiológica (121ºC corresponde à temperatura da autoclave), seja letal aos endósporos da maioria das espécies. O cerne do endósporo contém altas concentrações de pequenas proteínas ácido-solúveis (PPASs). Essas proteínas são sintetizadas apenas durante o processo de esporulação, possuindo pelo menos duas funções. As PPASs ligam-se fortemente ao DNA do cerne, protegendo-o contra potenciais danos causados pela radiação ultravioleta, pelo dessecamento e pelo calor seco. Além disso, as PPASs atuam como fontes de carbono e energia na extrusão de uma nova célula vegetativa a partir do endósporo durante a germinação. O que é o ácido dipicolínico e onde ele é encontrado? O que são PPASs e qual sua função? O que é formado quando um endósporo germina? Na flagelação polar, os flagelos encontram-se ligados a uma ou ambas as extremidades da célula. Na flagelação peritríquia, os flagelos encontram-se inseridos em vários pontos ao redor da superfície celular. Os flagelos de arqueias são significativamente mais delgados que os flagelos bacterianos, exibindo somente 10 a 13 nm de espessura, porém conferem movimento de rotação à célula como observado em bactérias. De modo diverso ao observado em bactérias, onde há uma única proteína no filamento flagelar, várias flagelinas diferentes são encontradas em arqueias sendo que as sequências de aminoácidos e os genes que codificam as flagelinas de arqueias não exibem qualquer relação com aquelas da flagelina bacteriana. As células de Salmonella possuem flagelos peritríquios, as de Pseudomonas possuem flagelação polar, e as de Spirillum possuem flagelos lofotríquios. Utilizando um esquema, mostre como cada flagelo apareceria em uma coloração. Compare os flagelos de bactérias e arqueias em termos de estrutura e função. Alguns procariotos são móveis, porém não apresentam flagelos. A maioria dessas bactérias não natatórias, porém móveis, são capazes de deslocar-se por meio de um processo denominado deslizamento. Ao contrário da motilidade flagelar, em que as células param e, em seguida, movem-se em uma direção diferente, a motilidade deslizante corresponde a um tipo de movimento mais lento e suave, geralmente ocorrendo ao longo do eixo da célula.Os procariotos deslizantes compreendem células filamentosas ou bacilares, e o processo de deslizamento requer o contato das células com uma superfície sólida. As cianobactérias realizam o deslizamento secretando um polissacarídeo limoso de seus poros na superfície externa da célula. Como a motilidade por deslizamento diferencia-se da motilidade natatória em relação ao mecanismo e às exigências? Diferencie o mecanismo de motilidade deslizante de uma cianobactéria filamentosa daquele de Flavobacterium. A quimiotaxia, uma resposta a agentes químicos, e a fototaxia, uma resposta à luz. Defina o termo quimiotaxia. Como a quimiotaxia se diferencia da aerotaxia? O que promove uma corrida ou uma oscilação? Como a quimiotaxia pode ser medida quantitativamente? Qual a diferença entre escotofobotaxia e fototaxia? Como o DNA é organizado nos cromossomos eucarióticos? O que são as histonas e qual a sua função? Quais são as principais diferenças entre mitose e meiose? Alguns microrganismos eucarióticos não sobrevivem na presença de O2 e, como muitos procariotos, vivem um estilo de vida anaeróbio. Essas células são desprovidas de mitocôndrias, e algumas dela, contêm estruturas denominadas hidrogenossomos. Quais reações essenciais ocorrem na mitocôndria e nos cloroplastos, e quais produtos essenciais são produzidos nestas organelas? Compare e diferencie o metabolismo do piruvato na mitocôndria e nos hidrogenossomos. O que é a hipótese endossimbiótica e que evidências a suportam? Por que as atividades que ocorrem no lisossomo devem ser isoladas do próprio citoplasma? Como o citoesqueleto da célula se mantém unido? Do ponto de vista funcional, como se diferem os flagelos das células eucarióticas e procarióticas?
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