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Lista de capítulos - Tortora Microbiologia Parte I 1. O mundo microbiano e você 2. Princípios químicos 3. Observando microrganismos através do microscópio 4. Anatomia funcional das células procariotas e eucariotas 5. Metabolismo microbiano 6. Crescimento microbiano 7. Controle do crescimento microbiano 8. Genética microbiana 9. Biotecnologia e DNA recombinante Parte II 10. Classificação de microrganismos 11. Procariotos: domínios Bacteria e Archaea 12. Os eucariotos: fungos, algas, protozoários e helmintos 13. Vírus, viroides e príons Parte III 14. Princípios de doença e epidemiologia 15. Mecanismos microbianos de patogenicidade 16. Defesas inespecíficas do hospedeiro 17. Defesas específicas do hospedeiro: a resposta imunológica 18. Aplicações práticas da imunologia 19. Distúrbios associados ao sistema imunológico 20. Drogas anti-microbianas Parte IV 21. Doenças microbianas a pele e dos olhos 22. Doenças microbianas do sistema nervoso 23. Doenças microbianas do sistema cardiovascular e linfático 24. Doenças microbianas do sistema respiratório 25. Doenças microbianas do sistema digestivo 26. Doenças microbianas do sistema urinário e reprodutor Parte V 27. Microbiologia ambiental 28. Microbiologia industrial e aplicada O mundo microbiano e você Resumo I – Microbiologia Tortora Introdução 10. Os seres vivos pequenos demais para serem vistos a olho nu são denominados microrganismos. 11. Os microrganismos são importantes para a manutenção do equilíbrio na Terra. 12. Alguns microrganismos vivem em seres humanos e em outros animais e são necessários para a manutenção da saúde desses animais. 13. Alguns microrganismos são necessários para a produção de alimentos e produtos químicos. 14. Alguns microrganismos causam doenças. 14. No sistema de nomenclatura descrito por Carolus Linnaeus (1735), cada organismo vivo é identificado por dois nomes. 15. Os dois nomes consistem do gênero e do epíteto específico, sendo ambos sublinhados ou escritos em letras itálicas. Bactérias 21. As bactérias são organismos uni-celulares. Como não possuem núcleo, as células são descritas como procarióticas. 22. As três formas básicas de bactérias são os bacilos, os cocos e os espirilos. 23. Muitas bactérias possuem uma parede celular composta por peptideo-glicanas; dividem-se por fissão binária e muitas delas possuem flagelos. 24. As bactérias podem utilizar uma grande variedade de substâncias químicas para a sua nutrição. Archea 27. As arquibactérias são células procarióticas; as paredes celulares não são compostas por peptideo-glicanas. 28. As arquibactérias incluem as metanogênicas, as halofélicas extremas e as termófilas extremas. Fungos 29. Os fungos (cogumelos, bolores e leveduras) possuem células eucarióticas (com um núcleo verdadeiro). Muitos fungos são multi-celulares. 30. Os fungos obtêm os nutrientes por meio da absorção de material orgânico do ambiente em que vivem. Protozoários Os protozoários são seres eucarióticos unicelulares. Os protozoários obtêm seus alimentos pela absorção ou ingestão através de estruturas especializadas. Algas As algas são organismos eucarióticos uni ou multi-celulares que obtêm sua nutrição por meio da fotossíntese. As algas produzem oxigênio e carboidratos, que são utilizados por outros organismos. Vírus Os vírus são entidades acelulares que parasitam as células. Os vírus consistem de um núcleo formado por ácido nucleico (DNA ou RNA) circundado por um envoltório proteico (capsídeo). Um envelope pode envolver o capsídeo. Parasitas animais multi-celulares Os principais grupos de parasitas animais multi-celulares são os vermes chatos e os redondos, coletivamente chamados helmintos. Os estágios microscópicos dos ciclos vitais dos helmintos são identificados por procedimentos microbiológicos tradicionais. Todos os organismos são classificados em Bacteria, Archea ou Eucarya. Eucarya inclui protistas, fungos, plantas e animais. Robert Hooke observou que amostras de cortiça eram compostas de “pequenas caixas”; ele introduziu o conceito de célula (1665). As observações de Hook forneceram a base para o desenvolvimento da teoria celular, o conceito de que todas as coisas vivas são compostas por células. Antoni Van Leeuwenhoek, utilizando um microscópio muito simples, foi o primeiro a observar microrganismos (1673). Até a metade do 1880, muitas pessoas acreditavam na geração espontânea, a idéia de que os microrganismos vivos poderiam surgir a partir da matéria não-viva. Francesco Redi demonstrou que larvas de insetos surgiam na carne em decomposição somente quando moscas depositavam seus ovos sobre a carne (1668). Jonh Needham declarou que os microrganismos poderiam aparecer espontaneamente em caldos nutrientes fervidos (1745). Lazzaro Spallanzani repetiu os experimentos de Needham e sugeriu que os resultados de Neehdam eram devido aos microrganismos presentes no ar, que entravam em contato com o meio nutriente (1765). Rudolf Virchow introduziu o conceito da biogênese: células vivas somente podem surgir a partir de células pré-existentes (1858). Louis Pasteur demonstrou que os microrganismos estão presentes no ar e em todos os lugares e ofereceu provas para a teoria da biogênese (1861). As descobertas de Pasteur levaram ao desenvolvimento de técnicas de assepsia, utilizadas em laboratórios e nos procedimentos médicos para prevenir a contaminação pelos microrganismos presentes no ar. Os rápidos avanços na ciência da microbiologia foram obtidos entre 1857 e 1914. Fermentação e pasteurização Pasteur descobriu que as leveduras fermentam o açúcar a álcool e que as bactérias podem oxidar o álcool a ácido acético. Um processo de aquecimento, denominado pasteurização, é utilizado para matar bactérias em algumas bebidas alcoólicas e no leite. A teoria do germe da doença Agostino Basse (1835) e Pasteur (1865) mostraram uma forte relação entre os microrganismos e as doenças. Joseph Lister introduziu o uso de um desinfetante para a limpeza das roupas cirúrgicas, a fim de controlar as infecções nas pessoas (década de 1860). Robert Koch provou que os microrganismos causam doenças. Ele utilizou uma séire de procedimentos, chamados postulados de Kock (1876), que são utilizados até hoje para provar que um determinado microrganismo causa uma determinada doença. Vacinação Na vacinação, a imunidade (resistência a uma determinada doença) é conferida pela inoculação com uma vacina. Em 1798, Edward Jenner demonstrou que a inoculação com material de vacínia proporciona imunidade aos seres humanos contra a varíola. Por volta de 1880, Pasteur descobriu que uma bactéria não-virulenta poderia ser utilizada como uma vacina para a cólera em aves domésticas; ele criou a palavra vacina. As vacinas modernas são preparadas a partir de microrganismos não-virulentos, de patógenos mortos, ou de componentes de patógenos e pela tecnologia do DNA recombinante. Quimioterapia é o tratamento químico de uma doença. Dois tipo de agentes químio-terápicos são drogas sintéticas (químicos preparados em laboratório) e antibióticos (substâncias produzidas naturalmente por bactérias e fungos para inibir o crescimento de outros microrganismos). Paul Ehrlich utilizou um produto químico contendo arsênicos, denominado salvarsan, para o tratamento da sífilis (1910). Alexander Fleming observou que o bolor(fungo) Penicillium inibia o crescimento de uma cultura de bactérias. Ele chamou o ingrediente ativo de penicilina (1928). A penicilina tem sido utilizada clinicamente como antibiótico desde a década de 40. Os pesquisadores estão atacando o problema de resistência dos micróbios ás drogas. Bacteriologia é o estudo das bactérias, micologia é o estudo dos fungos e parasitologia é o estudos dos parasitas e vermes protozoários. Os microbiologistas estão usando a genômica, o estudo de todos os genes de um organismo, para classificar as bactérias, fungos e protozoários. O estudo da AIDS, a análise da ação dos interferons e o desenvolvimento de novas vacinas estão entre os atuais interesses de pesquisa na imunologia. As novas técnicas da biologia molecular e da microscopia eletrônica forneceram ferramentas para o avanço do nosso conhecimento na virologia. O desenvolvimento da tecnologia do DNA recombinante tem promovido avanços em todas as áreas da microbiologia. Os microrganismos degradam plantas e animais mortos e reciclam os elementos químicos para serem utilizados pelas plantas e pelos animais vivos. As bactérias são utilizadas na decomposição da matéria orgânica em esgotos. A bio-remediação é o processo que utiliza bactérias para limpar lixos tóxicos. As bactérias que causam doenças em insetos estão sendo utilizadas no controle biológico das pragas de insetos. Os controles biológicos são procedimentos específicos para as pragas e não prejudicam o meio ambiente. A utilização dos micróbios na síntese de produtos como alimentos e químicos é chamada de biotecnologia. Ao utilizar um DNA recombinante, a bactéria pode produzir substâncias importantes como proteínas, vacinas e enzimas. Na terapia gênica, os vírus são utilizados para transportar substitutos para os genes defectivos ou perdidos para o interior das células humanas. Bactérias geneticamente modificadas são utilizadas na agricultura para proteger as plantas contra o frio e contra os insetos e para aumentar o rendimento da produção. Todos os indivíduos possuem microrganismos dentro e sobre o corpo. Eles constituem a microbiota normal ou flora. A capacidade de uma determinada espécie de micróbio causar uma doença e a resistência do organismo hospedeiro são fatores importantes para determinar se uma pessoa irá ou não contrair uma doença. Uma doença infecciosa é aquela em que os organismos patogênicos invadem um hospedeiro suscetível. Uma doença infecciosa emergente (DIE) é uma nova ou modificada doença que mostra um aumento na sua incidência em um passado recente ou um potencial para aumento em um futuro próximo. Princípios químicos Resumo I – Microbiologia Tortora 15. A ciência de interações entre os átomos e as moléculas é denominada química. 16. As atividades metabólicas dos microrganismos envolvem reações químicas complexas. 17. Os nutrientes são degradados pelos micróbios para obter energia e para produzir novas células. 16. Os átomos são as menores unidades de elementos químicos que entram nas reações químicas. 17. Os átomos consistem de um núcleo, que contém prótons e nêutrons, e de elétrons que se movem em torno do núcleo. 18. O número atômico é o número de prótons no núcleo; o número total de prótons e nêutrons é o peso atômico. 25. Os átomos com o mesmo número de prótons e o mesmo comportamento químico são classificados como o mesmo elemento químico. 26. Os elementos químicos são denominados por abreviações, chamadas de símbolos químicos. 27. Cerca de 26 elementos são encontrados comumente nas células vivas. 28. Os átomos que possuem o mesmo número atômico (são do mesmo elemento), mas diferentes pesos atômicos são denominados isótopos. 29. Em um átomo, os elétrons estão distribuídos em torno do núcleo em camadas eletrônicas. 30. Cada camada pode manter um número máximo característico de elétrons. 31. As propriedades químicas de um átomo são em boa parte devidas ao número de elétrons em sua camada mais externa. 31. As moléculas são compostas de dois ou mais átomos; as moléculas constituindo de no mínimo dois tipos de diferentes de átomos são denominadas compostos. 32. Os átomos formam moléculas para preencher suas camadas eletrônicas mais externas. 33. As forças de atração que unem os núcleos atômicos de dois átomos são denominadas ligações químicas. 34. A capacidade de combinação de um átomo – o número de ligações químicas que o átomo pode formar com outros átomos – é sua valência. Um átomo ou um grupo de átomos carregado positiva ou negativamente é denominado íon. A atração química entre íons de carga oposta é denominada ligação iônica. Para formar uma ligação iônica, um íon é um doador de elétrons, e o outro íon é um aceptor de elétrons. Em uma ligação covalente, os átomos compartilham pares de elétrons. As ligações covalentes são mais fortes que as ligações iônicas, e são bem mais comuns nos organismos. Uma ponte de hidrogênio existe quando um átomo de hidrogênio covalentemente ligado a um átomo de oxigênio ou nitrogênio é atraído a outro átomo de oxigênio ou nitrogênio. As pontes de hidrogênio formam ligações fracas entre diferentes moléculas ou entre partes da mesma molécula. O peso molecular é a soma dos pesos atômicos de todos os átomos em uma molécula. Um mol de um átomo, íon ou molécula é igual a seu peso atômico ou molecular, expresso em gramas. As reações químicas são a composição ou degradação de ligações químicas entre os átomos. Uma alteração de energia ocorre durante as reações químicas. As reações endo-ergônicas requerem energia; as reações exo-ergônicas liberam energia. Em uma reação de síntese, os átomos, os íons ou as moléculas são combinados para formar uma molécula maior. Em uma reação de decomposição, uma molécula maior é degradada em suas moléculas, íons ou átomos componentes. Em uma reação de troca, duas moléculas são decompostas, e suas sub-unidades são usadas para sintetizar duas moléculas novas. Os produtos das reações reversíveis podem facilmente ser revertidos para formar os reagentes originais. Os compostos inorgânicos normalmente são moléculas pequenas, ligadas ionicamente. A água e muitos ácidos, bases e sais comuns são exemplos de compostos inorgânicos. A água é a substância mais abundante nas células. Como a água é uma molécula polar, ela é um solvente excelente. A água é um reagente em muitas das reações de decomposição da digestão. A água é um excelente tampão de temperatura. Um ácido se dissocia em H+ e ânions. Uma base se dissocia em OH- e cátions. Um sal se dissocia em íons negativos e positivos, nenhum dos quais é H+ ou OH-. O termo pH refere-se á concentração de H+ em uma solução. Uma solução de pH 7 é neutra; um valor de pH abaixo de 7 indica acidez; um pH acima de 7 indica alcalinidade. Um tampão de pH, que estabiliza o pH dentro de uma célula, pode ser usado em meio de cultura. Os compostos orgânicos sempre contêm carbonos e hidrogênio. Os átomos de carbono formam até quatro ligações com outros átomos. Os compostos orgânicos são principalmente ou inteiramente ligados de modo covalente, e muitos deles são moléculas grandes. Uma cadeia de átomos de carbono forma um esqueleto de carbono. Os grupos funcionais dos átomos são responsáveis pela maioria das propriedades das moléculas orgânicas. A letra R pode ser usada para denotar o restante de uma molécula orgânica. Classes de moléculas frequentemente encontradas são R-OH (álcoois), R-COOH (ácidos orgânicos). As moléculas orgânicas pequenaspodem combinar-se em moléculas muito grandes, denominadas macro-moléculas. Os monômeros geralmente se unem por síntese por desidratação, ou reações de condensação, que formam água e um polímero. As moléculas orgânicas podem ser quebradas por hidrólise, uma reação envolvendo a separação de moléculas de água. Carboidratos Os carboidratos são compostos consistindo de átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio, com hidrogênio e oxigênio em uma proporção de 2:1. Os carboidratos incluem os açúcares e os amidos. Os carboidratos podem ser classificados como mono-sacarídeos, di-sacarídeos e poli- sacarídeos. Os mono-sacarídeos contêm de três a sete átomos de carbono. Os isômeros são duas moléculas com a mesma fórmula química, mas diferentes estruturas e propriedades – por exemplo, a glicose (C6H12O6) e frutose (C6H12O6). Os mono-sacarídeos podem formar di-sacarídeos e poli-sacarídeos por síntese por desidratação. Lipídeos Os lipídeos são um grupo distinto de compostos, diferenciados por sua insolubilidade em água. Os lipídeos simples (gorduras) consistem de uma molécula de glicerol e três moléculas de ácidos graxos. Um lipídeo saturado não tem ligações duplas entre os átomos de carbono nos ácidos graxos; um lipídeo insaturado tem uma ou mais ligações duplas. Os lipídeos saturados possuem pontos de fusão maiores que os lipídeos insaturados. Os fosfo-lipídeos são lipídeos complexos consistindo de glicerol, dois ácidos graxos e um grupo fosfato. Os esteroides possuem estruturas de anéis de carbono; os esteróis têm um grupo funcional hidroxila. Proteínas Os aminoácidos são os blocos construtivos das proteínas. Os aminoácidos consistem de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e algumas vezes enxofre. Vinte aminoácidos ocorrem naturalmente. As unirem os aminoácidos, as ligações peptídicas (formadas por síntese por desidratação) permitem a formação de cadeias poli-peptídicas. As proteínas possuem quatro níveis de estrutura: primária (sequência de aminoácidos), secundária (espirais ou pregas regulares), terciária (estrutura tridimensional geral de um poli-peptídeo) e quaternária (duas ou mais cadeias poli-peptídicas). As proteínas conjugadas consistem de aminoácidos combinados com outros compostos orgânicos ou inorgânicos. Ácidos nucleicos Os ácidos nucleicos – DNA e RNA – são macro-moléculas consistindo de nucleotídeos repetidos. Um nucleotídeo é composto de uma pentose, um grupo fosfato e uma base contendo nitrogênio. Um nucleosídeo é composto de uma pentose e uma base contendo nitrogênio. Um nucleotídeo de DNA consiste da desoxirribose (uma pentose) e uma das seguintes bases nitrogenadas: timina ou citosina (pirimidinas) ou adenina ou guanina (purinas). O DNA consiste de duas fitas de nucleotídeos agrupados em hélice dupla. As fitas são unidas por pontes de hidrogênio entre os nucleotídeos purina e pirimidina: AT e GC. Os genes são constituídos de sequências de nucleotídeos. Um nucleotídeo de RNA consiste da ribose (uma pentose) e uma das seguintes bases nitrogenadas: citosina, guanina, adenina ou uracil. Trifosfato de adenosina (ATP) O ATP armazena energia química para várias atividades celulares Quando a ligação do grupo fosfato terminal do ATP é rompida, a energia é liberada A energia das reações de decomposição é usada para regenerar ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico. Observando microrganismos através do microscópio Resumo I – Microbiologia Tortora 18. A unidade-padrão de comprimento é o metro (m). 19. Os microrganismos são medidos em micrômetros (10 elevado a -6) e nanômetros (10 elevado a -9). 19. Um microscópio simples tem uma lente; um microscópio composto tem múltiplas lentes. Microscópio óptico Microscópio óptico composto 29. O microscópio mais comum usado em microbiologia é o microscópio óptico composto. 30. A ampliação total de um objeto é calculada multiplicando a ampliação da lente objetiva pela da lente ocular. 31. O microscópio óptico composto utiliza luz visível. 32. A resolução máxima, ou potência de resolução ( a capacidade de diferenciar dois pontos) de um microscópio óptico composto é de 0,2 micrômetros; a ampliação máxima é de 2mil vezes. 33. As amostras são coradas para aumentar a diferença entre os índices de refração da amostra e do meio. 34. O óleo de imersão é usado com uma lente de imersão, para reduzir a perda de luz entre a lâmina e a lente. 35. A iluminação brilhante é usada para esfregaços corados. 36. As células sem coloração são observadas de modo mais produtivo com microscopia de campo escuro, contraste de fase ou CID. Microscopia de campo escuro 32. O microscópio de campo escuro mostra uma silhueta de luz de um organismo contra um fundo escuro. 33. Ele é mais útil para detectar a presença de organismos extremamente pequenos. Microscopia de contraste de fase 35. Um microscópio de contraste de fase une os raios de luz direta e refletida ou difratada (em fase) para formar uma imagem da amostra na lente ocular. 36. Ele permite a observação detalhada de organismos vivos. Microscopia de Contraste com interferência diferencial (CID). O microscópio CID fornece uma imagem colorida tri-dimensional do objeto a ser observado. Ele permite observações detalhadas das células vivas. Microscopia de Fluorescência Na microscopia com fluorescência, as amostras são primeiramente coradas com fluorocromos e então observadas através de um microscópio composto, utilizando uma fonte de luz ultra-violeta. Os microrganismos aparecem como objetos brilhantes contra um fundo escuro. A microscopia com fluorescência é usada principalmente em um procedimento diagnóstico denominado técnica do anticorpo fluorescente (FA) ou imuno-fluorescência. Microscopia confocal Na microscopia confocal, a amostra é corada com um corante fluorescente, e um plano de cada vez é iluminado. Utilizando um computador, imagens bi-dimensionais e tri-dimensionais das células podem ser produzidas. Microscopia eletrônica Um feixe de elétrons, ao invés de luz, é usado em um microscópio eletrônico. Eletromagnetos, ao invés de lentes de vidro, controlam o foco, a iluminação e a ampliação. Cortes delgados de organismos podem ser observados em uma micrografia eletrônica feita com um microscópio eletrônico de transmissão. Ampliação: de 10.000 a 100.000 vezes. Potência de resolução: 2,5 nanômetros. Imagens tri-dimensionais das superfícies de microrganismos integrais podem ser obtidas com um microscópio eletrônico de varredura. Ampliação: de 1.000 a 10.000 vezes. Potência de resolução: 20 nanômetros. Microscopia de varredura por sonda A microscopia de tunelamento (MT) e a de força atômica (MFA) produzem imagens tri- dimensionais da superfície de uma molécula. Preparação de amostras para microscopia óptica Preparando esfregaços para coloração Realizar uma coloração significa colorir um microrganismo com um corante, para tornar algumas estruturas mais visíveis. A fixação utiliza calor ou álcool para matar e fixar os organismos em uma lâmina. Um esfregaço é um filme delgado de material usado para o exame microscópico. As bactérias são carregadas negativamente, e o íon positivo colorido de um corante básico irá corar as células bacterianas. O íon negativo colorido de um corante ácido irá corar o fundo de um esfregaço bacteriano; uma coloração negativa é produzida. Colorações simples Uma coloração simples é uma solução aquosa ou alcoólicade um único corante básico. Ela é usada para tornar visíveis as formas e os arranjos celulares. Um mordente pode ser usado para melhorar a ligação entre a coloração e a amostra. Colorações diferenciais Os corantes diferenciais, como a coloração de Gram e a coloração álcool-ácido resistente, diferenciam as bactérias de acordo com suas reações aos corantes. A coloração de Gram utiliza um corante púrpura (violeta de genciana), iodo como mordente, um álcool descolorante e um contra-corante vermelho. As bactérias gram-positivas retêm a cor púrpura após a descoloração; as bactérias gram- negativas não retêm, e, assim, ficam rosadas com o contra-corante. Os micróbios álcool-ácido resistentes, como os membros do gênero Mycobacterium e Nocardia, retêm a carbol-fucsina após a descoloração com álcool-ácido e ficam vermelhos; os micróbios não-resistentes captam o contra-corante azul de metileno e ficam azuis. Colorações especiais As colorações para endosporos e flagelos são colorações especiais que coram somente certas partes das bactérias. A coloração negativa é usada para tornar visíveis as cápsulas microbianas. Anatomia funcional das células procariotas Resumo I – Microbiologia Tortora 20. As células procarióticas e eucarióticas são similares em sua composição e reações químicas. 21. As células procarióticas não possuem organelas revestidas por membrana ( estando ausente inclusive o núcleo). 22. O peptídeo-glicano é encontrado nas paredes celulares procarióticas, mas não nas paredes celulares eucarióticas. 23. As células eucarióticas possuem um núcleo limitado por uma membrana e outras organelas. Procariotos 20. As bactérias são unicelulares e a maioria delas se multiplica por fissão binária. 21. As espécies bacterianas são diferenciadas pela morfologia, pela composição química, pelas necessidades nutricionais, pelas atividades metabólicas e pela fonte de energia. 37. A maioria das bactérias tem de 0,2 a 2 micrômetros de diâmetro e de 2 a 8 micrômetros de comprimento. 38. As três formas bacterianas básicas são cocos (esféricos), bacilos (forma de bastão) e espirais. 39. As bactérias pleomórficas podem assumir várias formas. Glicocálice 34. O glicólise (cápsula, camada viscosa ou poli-sacarídeo extra-celular) é um poli-sacarídeo gelatinoso e/ou revestimento poli-peptídico. 35. As cápsulas podem proteger os patógenos da fagocitose. 36. As cápsulas permitem a adesão a superfícies, impedem a dessecação e podem fornecer nutrientes. Flagelos 37. Os flagelos são apêndices filamentosos relativamente longos consistindo de um filamento, alça e corpo basal. 38. Os flagelos procarióticos rotam para empurrar a célula. 39. As bactérias móveis apresentam taxia; taxia positiva é o movimento em direção a um atraente, e taxia negativa é o movimento para longe de um repelente. 40. A proteína flagelar (H) atua como um antígeno. Filamentos axiais As células espirais que se movem por meio de um filamento axial (endo-flagelo) são denominadas espiroquetas. Os filamentos axiais são similares aos flagelos, exceto que eles se enovelem em torno da célula. Fímbrias e Pili As fímbrias e pili são apêndices curtos e delgados. As fímbrias auxiliam as células a aderirem ás superfícies. Os pili unem as células para a transferência de DNA de uma célula para outra. A Parede celular Composição e características A parede celular circunda a membrana plasmática e protege a célula das alterações na pressão de água. A parede celular bacteriana consiste de peptídeo-glicana, um polímero composto de NAG e NAM e cadeias curtas de aminoácidos. A penicilina interfere com a síntese de peptídeo-glicana. As paredes celulares gram-positivas consistem de muitas camadas de peptídeo-glicanas e também contêm ácidos teicoicos. As bactérias gram-negativas possuem uma membrana externa de lipoproteína- lipopolissacarídeo-fosfolipídeo, circundando uma fina camada de peptídeo-glicana. A membrana externa protege a célula da fagocitose e da penicilina, lisozima e de outras substâncias químicas. As porinas são proteínas que permitem ás moléculas pequenas passar através da membrana externa; proteínas específicas permitem que outras moléculas se movam através da membrana externa. O componente lipo-polissacarídico da membrana externa consiste de açúcares (polissacarídeos O) que atuam como antígenos e de lipídeo A, que é uma endo-toxina. Paredes celulares e mecanismos de coloração de Gram O complexo cristal violeta-iodo se combina a peptídeo-glicana. O descolorante remove o lipídeo da membrana externa das bactérias gram-negativas e lava a violeta de genciana. Paredes celulares atípicas O Mycoplasma é um gênero bacteriano que não apresenta paredes celulares naturalmente. As arquibactérias possuem pseudo-mureína; elas não apresentam peptídeo-glicanas. Dano á parede celular Em presença de lisozima, as paredes celulares gram-positivas são destruídas e o conteúdo celular restante é denominado protoplasto. Em presença de lisozima, as paredes celulares gram-negativas não são completamente destruídas e o conteúdo celular restante é denominado esferoplasto. As formas L são bactérias gram-positivas ou gram-negativas que não produzem uma parede celular. Os antibióticos como a penicilina interferem com a síntese da parede celular. Estruturas internas á parede celular A membrana plasmática (citoplasmática) A membrana plasmática reveste o citoplasma e é uma camada dupla de fosfo-lipídeo com proteína (modelo de mosaico fluido). A membrana plasmática é seletivamente permeável. As membranas plasmáticas conduzem enzimas para reações metabólicas, como a degradação dos nutrientes, a produção de energia e a fotossíntese. Os mesossomos, dobras irregulares da membrana plasmática, são artefatos, não estruturas celulares verdadeiras. As membranas plasmáticas podem ser destruídas por álcoois e polimixinas. O movimento através da membrana pode ser por processos passivos, em que os materiais se movem de áreas de maior concentração para menor concentração, sem gasto de energia pela célula. Na difusão simples, as moléculas e os íons se movem até o equilíbrio ser atingido. Na difusão facilitada, as substâncias são transportadas por proteínas transportadoras através das membranas, de áreas de alta para baixa concentração. Osmose é o movimento de água de áreas de alta para baixo concentração, através de uma membrana seletivamente semi-permeável, até o equilíbrio ser atingido. No transporte ativo, os materiais se movem das áreas de baixa para alta concentração através das proteínas transportadoras, e a célula precisa gastar energia. Na translocação de grupo, a energia é gasta para modificar as substâncias químicas e as transportar através da membrana. Citoplasma Citoplasma é o componente líquido dentro da membrana plasmática. O citoplasma é principalmente água, com moléculas inorgânicas e orgânicas, DNA, ribossomos e inclusões. A área nuclear A área nuclear contém o DNA do cromossomo bacteriano As bactérias também podem conter plasmídeos, que são moléculas circulares de DNA extra- cromossômicos. Ribossomos O citoplasma de um procarioto contém numerosos ribossomos 70S; os ribossomos consistem de rRNA e proteína. A síntese proteica ocorre nos ribossomos ela pode ser inibida por certos antibióticos. Inclusões Inclusões são depósitos de reserva encontrados nas células procarióticase eucarióticas. Entre as inclusões encontradas nas bactérias, estão os grânulos metacromáticos (fosfato inorgânico), os grânulos de poli-sacarídeos (normalmente glicogênio ou amido), inclusões lipídicas, os grânulos de enxofre, os carboxissomos (ribulose 1,5-difosfato carboxilase), os magnetossomos (Fe3O4) e os vacúolos de gás. Endosporos Os endosporos são estruturas de repouso, formadas por algumas bactérias para a sobrevivência durante condições ambientais diversas. O processo de formação de endosporos é denominando esporulação; o retorno de um endosporo a seu estado vegetativo é denominado germinação. Anatomia funcional das células eucariotas Resumo I - Microbiologia Tortora 24. As células procarióticas e eucarióticas são similares em sua composição e reações químicas. 25. As células procarióticas não possuem organelas revestidas por membrana ( estando ausente inclusive o núcleo). 26. O peptídeo-glicano é encontrado nas paredes celulares procarióticas, mas não nas paredes celulares eucarióticas. 27. As células eucarióticas possuem um núcleo limitado por uma membrana e outras organelas. Eucariotos Flagelos e cílios 22. Os flagelos são poucos e longos em relação ao tamanho da célula; os cílios são menores e curtos. 23. Os flagelos e os cílios são usados para a motilidade, e os cílios também movem substâncias ao longo da superfície das células. 24. Ambos os flagelos e os cílios consistem de um arranjo de nove pares e de dois microtúbulos isolados. A parede celular e o glicocálice 40. As paredes celulares de muitas algas e alguns fungos contêm celulose. 41. O principal material das paredes celulares fúngicas é a quitina. 42. As paredes celulares fúngicas consistem de glicana e manana. 43. As células animais são circundadas por um glicocálice, que reforça a célula e fornece um meio de fixação para outras células. A membrana plasmática 37. Assim como a membrana plasmática procariótica, a membrana plasmática eucariótica é uma camada dupla de fosfo-lipídeos contendo proteínas. 38. As membranas plasmáticas eucarióticas contêm carboidratos aderidos a proteínas e esteróis não encontrados nas células procarióticas (exceto nas bactérias Mycoplasma). 39. As células eucarióticas podem mover materiais através da membrana plasmática pelos processos passivos usados pelos procariotos, além do transporte ativo e da endocitose (fagocitose e pinocitose). Citoplasma 41. O citoplasma das células eucarióticas inclui tudo que está dentro da membrana plasmática e que é externo ao núcleo. 42. As características químicas do citoplasma das células eucarióticas lembram as do citoplasma das células procarióticas. 43. O citoplasma eucariótico tem um cito-esqueleto e exibe corrente citoplasmática. Organelas As organelas são estruturas especializadas revestidas de membrana no citoplasma das células eucarióticas. O núcleo, que contém DNA em forma de cromossomos, é a organela eucariótica mais característica. O envelope nuclear está conectado a um sistema de membranas no citoplasma, denominado retículo endoplasmático. O RE fornece uma superfície para reações químicas, serve como uma rede de transporte e armazena as moléculas sintetizadas. A síntese proteica e o transporte ocorrem no RE rugoso; a síntese de lipídeos ocorre no RE liso. Os ribossomos 80S são encontrados no citoplasma ou aderidos ao RE rugoso. Os complexos de Golgi consistem de sacos achatados denominados cisternas. Eles atuam na formação da membrana e secreção de proteínas. Os lisossomos são formados a partir dos complexos de Golgi. Eles armazenam poderosas enzimas digestivas. Os vacúolos são cavidades revestidas por membrana, derivadas dos complexos de Golgi ou endocitose. Eles são geralmente encontrados em células de plantas, que armazenam várias substâncias, ajudam a trazer o alimento para dentro da célula, aumentam o tamanho das células e fornecem rigidez para as folhas e caules. As mitocôndrias são os locais primários de produção de ATP. Elas contêm ribossomos 70S e DNA, e se multiplicam por fissão binária. Os cloroplastos contêm clorofila e enzimas para a fotossíntese. Assim como as mitocôndrias, eles contêm ribossomos 70S e DNA, e se multiplicam por fissão binária. Uma variedade de componentes orgânicos são oxidados nos peroxissomos. A catalase nos peroxissomos destrói a H2O2. O centrossomo é constituído pelo material peri-centriolar e os centríolos. Os centríolos são 9 microtúbulos triplos envolvidos na formação do fuso mitótico e dos microtúbulos. A evolução dos eucariotos - De acordo com a teoria endossimbiótica, as células eucarióticas evoluíram de procariotos simbióticos vivendo dentro de outras células procarióticas. Metabolismo microbiano Resumo I – Microbiologia Tortora Reações catabólicas e anabólicas 28. A soma de todas as reações químicas em um organismo vivo é conhecida como metabolismo. 29. Catabolismo se refere ás reações químicas que resultam na quebra de moléculas orgânicas mais complexas em substâncias mais simples. As reações catabólicas geralmente liberam energia. 30. Anabolismo se refere ás reações químicas em que substâncias simples são combinadas para formar moléculas mais complexas. As reações anabólicas geralmente requerem energia. 31. A energia das reações catabólicas é utilizada para conduzir as reações anabólicas. 32. A energia para as reações químicas é armazenada em ATP. Enzimas 25. Enzimas são proteínas, produzidas por células vivas, que catalisam reações químicas pela diminuição da energia de ativação. 26. Enzimas são geralmente proteínas globulares com formas tri-dimensionais características. 27. Enzimas são eficientes, podem atuar em temperaturas relativamente baixas e estão sujeitas a vários controles celulares. Nomenclatura das enzimas 44. A maioria das enzimas são holo-enzimas, consistindo de uma porção proteica (apo-enzima) e uma porção não-proteica (co-fator). 45. O co-fator pode ser um íon metálico (ferro, cobre, magnésio, manganês, zinco, cálcio e cobalto) ou uma molécula orgânica complexa conhecida como co-enzima (NAD+, NADP+, FMN, FAD e co-enzima A). O mecanismo de ação enzimática 40. Quando uma enzima e um substrato se combinam, o substrato é transformado e a enzima é recuperada. 41. Enzimas são caracterizadas pela especificidade, que é uma função de seus sítios ativos. Fatores que influenciam a atividade enzimática 44. A altas temperaturas, as enzimas sofrem desnaturação e perdem suas propriedades catalíticas; a baixas temperaturas, a taxa de reação diminui. 45. O pH em que a atividade da enzima é máxima é conhecido como pH ótimo. 46. Dentro de limites, a atividade enzimática aumenta com o aumento da concentração do substrato. 47. Inibidores competitivos competem com o substrato normal pelo sítio ativo da enzima. Os inibidores não-competitivos atuam em outras partes da apo-enzima (parte proteica) ou no co-fator e diminuem a capacidade da enzima de se combinar com o substrato normal. Inibição por retro-alimentação A inibição por retro-alimentação ocorre quando o produto final de uma via metabólica inibe uma atividade da enzima quase no começo da via. Ribozimas As ribozimas são moléculas de RNA que cortam e religam RNA em células eucarióticas. Produção de energia Reações de oxidação-redução Oxidação é a remoção de um ou mais elétrons de um substrato. Os prótons (H+) são frequentemente removidos com os elétrons. A redução de um substrato se refere ao ganho de um ou mais elétrons. Cada vezque um substrato é oxidado, um outro é simultaneamente reduzido. NAD+ é a forma oxidada; NADH é a forma reduzida. Glicose é uma molécula reduzida; a energia é liberada durante a oxidação da glicose na água. A geração de ATP A energia liberada durante certas reações metabólicas pode ser capturada para formar ATP a partir de ADP e P (fosfato). A adição de um P a uma molécula é chamada de fosforilação. Durante a fosforilação em nível de substrato, um P de alta energia de um intermediário no catabolismo é adicionado ao ADP. Durante a fosforilação oxidativa, a energia liberada como elétrons é passada a uma série de aceptores de elétrons (uma cadeia transportadora de elétrons) e finalmente ao O2 ou outro composto inorgânico. Durante a foto-fosforilação, a energia da luz é capturada pela clorofila, e elétrons são passados por meio de uma série de aceptores de elétrons. O elétron transferido libera a energia utilizada para a síntese de ATP. Vias metabólicas de produção de energia Uma série de reações químicas catalisadas enzimaticamente denominadas vias metabólicas armazena e libera energia a partir de moléculas orgânicas. Catabolismo de carboidratos A maior parte da energia de uma célula é produzida a partir da oxidação de carboidratos. A glicose é o carboidrato mais comumente utilizado. Os dois principais tipos de catabolismo de glicose são a respiração, em que a glicose é completamente quebrada, e a fermentação, em que ela é parcialmente quebrada. Glicólise A via mais comum para a oxidação da glicose é a glicólise. O ácido pirúvico é o produto final. Dois ATPs e duas moléculas de NADH são produzidas a partir de uma molécula de glicose. Alternativas á glicólise A via pentose fosfato é utilizada para metabolizar açúcares de cinco carbonos; um ATP e 12 moléculas de NADPH são produzidos a partir de uma molécula de glicose. A via Entner-Doudoroff rende um ATP e duas moléculas de NADPH a partir de uma molécula de glicose. Respiração celular Durante a respiração, moléculas orgânicas são oxidadas. Energia é gerada a partir da cadeia de transporte de elétrons. Na respiração aeróbica, O2 funciona como o aceptor final de elétrons. Na respiração anaeróbica, o aceptor final de elétrons é uma molécula inorgânica que não o O2. Respiração aeróbica O clico de Krebs A descarboxilação do ácido pirúvico produz uma molécula Co2 e um grupo acetil. Grupos acetil de dois carbonos são oxidados no ciclo de Krebs. Elétrons são capturados pelo NAD+ e FAD para a cadeia de transporte de elétrons. A partir de uma molécula de glicose, a oxidação produz seis moléculas de NADH, duas moléculas de FADH2 e duas moléculas de ATP. A descarboxilação produz seis moléculas de CO2. A cadeia (sistema) de transporte de elétrons Os elétrons são conduzidos á cadeia de transporte de elétrons pelo NADH. A cadeia de transporte de elétrons consiste de transportadores, incluindo flavo-proteínas, citocromos e ubiquinas. O mecanismo quimiosmótico de geração de ATP Prótons sendo bombeados através da membrana geram uma força próton motivo enquanto os elétrons se movem por meio de uma série de aceptores ou transportadores. A energia produzida a partir do movimento dos prótons pela membrana é utilizada pela ATPsintase para fazer ATP a partir de ADP e P. Em eucariotos, transportadores de elétrons estão localizados na membrana mitocondrial interna; em procariotos, transportadores de elétrons estão na membrana plasmática. Um resumo da respiração aeróbica Em procariotos aeróbicos, 38 moléculas de ATP podem ser produzidas pela oxidação completa de uma molécula de glicose na glicólise, no ciclo de Krebs e na cadeia de transporte de elétrons. Em eucariotos, 36 moléculas de ATP são produzidas da oxidação completa de uma molécula de glicose. Respiração anaeróbica Os aceptores finais de elétrons na respiração anaeróbica incluem NO3-, (SO4)2- e (CO3)2-. O rendimento total de ATP é menor que na respiração aeróbica porque somente parte do ciclo de Krebs trabalha sobre condições anaeróbicas. Fermentação A fermentação libera energia de açúcares ou outras moléculas orgânicas através da oxidação. O2 não é necessário para a fermentação. Duas moléculas de ATP são produzidas pela fosforilação em nível de substrato. Elétrons removidos do substrato reduzem NAD+. O aceptor final de elétrons é uma molécula orgânica. Na fermentação do ácido lático, ácido pirúvico é reduzido pelo NADH a ácido lático. Na fermentação alcoólica, acetaldeído é reduzido pelo NADH para produzir etanol. Fermentadores heteroláticos podem utilizar a via pentose fosfato para produzir ácido lático e etanol. Catabolismo de lipídeos e de proteínas As lipases hidrolisam lipídeos em glicerol e ácidos graxos. Ácidos graxos e outros hidrocarbonetos são catabolizados através da beta-oxidação. Produtos catabólicos podem ser posteriormente quebrados na glicólise e no ciclo de Krebs. Antes de os aminoácidos poderem ser catabolizados, ele devem ser convertidos em várias substâncias que entram no ciclo de Krebs. Reações de trans-aminação, descarboxilação e desidrogenização convertem os aminoácidos para serem catabolizados. Testes bioquímicos de identificação bacteriana Bactérias e leveduras podem ser identificadas pela detecção da ação de suas enzimas. Testes de fermentação são utilizados para determinar se um organismo pode fermentar um carboidrato para produzir ácido e gás. Fotossíntese Fotossíntese é a conversão de energia luminosa do sol em energia química; a energia química é utilizada para a fixação do carbono. As reações dependentes de luz: foto-fosforilação Clorofila a é utilizada por plantas verdes, algas e ciano-bactérias; ela é encontrada nas membranas tilacoides. Elétrons da clorofila passam por uma cadeia de transporte de elétrons, a partir do que ATP é produzido através da químio-síntese. Na foto-fosforilação cíclica, os elétrons são utilizados para reduzir NADP+, e elétrons retornam á clorofila a partir de H2O ou H2S. Quando H2O é oxidado por plantas verdes, algas e ciano-bactérias, O2 é produzido. As reações independentes de luz: o ciclo de Calvin-Benson CO2 é utilizado para sintetizar açúcares no Ciclo de Calvin-Benson. Um resumo dos mecanismos de produção de energia A luz solar é convertida em energia química em reações de oxidação-redução realizadas por foto-tróficos. Químio-tróficos podem utilizar essa energia química. Nas reações de oxidação-redução, a energia é derivada da transferência de elétrons. Para produzir energia, a célula necessita de um doador de elétrons (orgânico ou inorgânico), um sistema de transportadores de elétrons e um aceptor final de elétrons (orgânico ou inorgânico). Diversidade metabólica entre os organismos Foto-auto-tróficos obtêm energia através da foto-fosforilação e fixam carbono a partir de CO2 através do ciclo de Calvin-Benson para sintetizar compostos orgânicos. Ciano-bactérias são foto-tróficos oxigênicos. Bactérias verdes e bactérias púrpuras são foto- tróficos anoxigênicos. Foto-heterotróficos utilizam luz como uma fonte de energia e um composto orgânico como fonte de carbono e doador de elétrons. Químio-autotróficos utilizam compostos inorgânicos como sua fonte de energia e dióxido de carbono como sua fonte de carbono. Químio-heterotróficos utilizam moléculas orgânicas complexas como suas fontes de carbono e energia. Vias metabólicas douso de energia Biossíntese de poli-sacarídeos Glicogênio é formado a partir de ADPG. UDPNAc é o material inicial para a biossíntese de peptídeo-glicano. Biossíntese de lipídeos Lipídeos são sintetizados a partir de ácidos graxos e colesterol. Glicerol é derivado de diidroxiacetona fosfato, e ácidos graxos são formados de acetil CoA. Biossíntese de aminoácidos e proteínas Aminoácidos são requeridos para a biossíntese de proteínas. Todos os aminoácidos podem ser sintetizados direta ou indiretamente a partir de intermediários do metabolismo de carboidratos, particularmente do ciclo de Krebs. Biossíntese de purinas e pirimidinas Os açúcares que compõem os nucleotídeos são derivados da via pentose fosfato ou da via Entner-Doudoroff. Átomos de carbono e nitrogênio de certos aminoácidos formam os esqueletos de purinas e pirimidinas. A integração do metabolismo Reações anabólicas e catabólicas estão integradas por um grupo de intermediários comuns. Tais vias metabólicas integradas são referidas como vias anfibólicas. Crescimento bacteriano Resumo I - Microbiologia Tortora Fatores necessários para o crescimento 33. OO crescimento de uma população é o aumento do número de células 34. Tanto os fatores físicos como os químicos são necessários para o crescimento. Fatores físicos necessários 28. Os microrganismos são classificados, conforme as preferências nas variações na temperatura de crescimento, em psicrófilos (vivem em baixas temperaturas), mesófilos (vivem em temperaturas moderada) e termófilos (vivem em altas temperaturas). 29. A temperatura mínima de crescimento é a temperatura mais baixa que permite o crescimento da espécie; a temperatura ótima de crescimento é aquela em que o organismo melhor se reproduz; a temperatura máxima é a maio temperatura em que o crescimento da espécie ainda é possível. 30. A maioria das bactérias cresce melhor entre os valores de pH 6,5 e 7,5. 31. Em solução hiper-tônica, a maioria dos microrganismos entra em plasmólise. Os organismos halofílicos, no entanto, podem tolerar elevadas concentrações de sais. Fatores químicos necessários 46. Todos os organismos necessitam de fonte de carbono. Os organismos químio-heterotróficos utilizam moléculas orgânicas e os auto-tróficos usam tipicamente dióxido de carbono. 47. O nitrogênio é necessário para a síntese de ácidos nucleicos e proteínas. O nitrogênio pode ser obtido pela decomposição de proteínas ou da transformação de NH4+ em NO3-. Poucas bactérias realizam a fixação do nitrogênio (N2). 48. Os microrganismos são classificados como aeróbicos obrigatórios, anaeróbicos facultativos, anaeróbicos obrigatórios, anaeróbicos aerotolerantes e micro-aerófilos em relação ás necessidades de oxigênio para o crescimento. 49. Os organismos aeróbicos, anaeróbicos facultativos e anaeróbicos aerotolerantes devem conter as enzimas superóxido dismutase (2 O2 + 2 H = O2 + H2O2) e catalase (2H2O2 2 H20 + O2) ou peroxidase (H2O2 + 2 H+ = 2 H2O). 50. Outros elementos químicos necessários para o crescimento são enxofre, fósforo, oligoelementos, e para alguns microrganismos, fatores orgânicos de crescimento. Meio de cultura 42. Um meio de cultura é qualquer material preparado em laboratório para o crescimento de microrganismos. 43. Os microrganismos crescendo em meio de cultura são denominados cultura bacteriana. 44. Agar é o agente solidificante utilizado nos meios de cultura. Meio químico definido 48. No meio quimicamente definido, a concentração exata de cada composto químico é conhecida. Meio complexo No meio complexo, a concentração exata dos compostos químicos varia de cultura para cultura. Meios e metodologia para o crescimento de anaeróbicos A eliminação do oxigênio molecular (O2), que pode afetar o crescimento dos organismos anaeróbicos, é realizada utilizando compostos químicos como redutores no meio de cultura. As placas de Petri podem ser incubadas em jarras de anaerobiose, em câmaras anaeróbicas ou no OxyPlate. Técnicas especiais de cultivo Algumas bactérias parasitas ou fastidiosas devem ser cultivadas em animais vivos ou em culturas de células. Os incubadores de CO2 ou jarras contendo vela são utilizados para o crescimento de bactérias que necessitam de concentrações mais altas de CO2. Meios de cultivo seletivo e diferencial Ao inibir organismos indesejados através da adição de sais, corantes ou outros compostos químicos no meio de cultura, o meio seletivo permite o crescimento somente de um organismo específico. O meio diferencial é utilizado para distinguir diferentes organismos. Meio de enriquecimento Um cultivo de enriquecimento é utilizado para favorecer o crescimento de um determinado microrganismo presente em uma cultura mista. Obtenção de culturas puras Uma colônia é uma massa de células bacterianas visíveis, originadas, teoricamente, a partir de uma única célula. As culturas puras normalmente são obtidas através do método de semeadura em placa. Preservação de cultura bacterianas As bactérias podem ser conservadas por longos períodos de tempo através dos métodos de congelamento em baixas temperaturas ou liofilização. Crescimento de culturas bacterianas Divisão bacteriana A fissão binária é o método normal de reprodução bacteriana, em que uma única célula se divide dando origem a duas células idênticas. Algumas bactérias se reproduzem por brotamento, formação de esporos aéreos ou por fragmentação. Tempo de geração O tempo necessário para uma célula se dividir ou uma população se duplicar é denominado tempo de geração. Representação logarítmica das populações bacterianas A divisão bacteriana ocorre conforme uma progressão logarítmica (2 células, 4 células, 8 células, etc). Fases de crescimento Durante a fase lag, ocorre pouca ou nenhuma variação no número de células, no entanto existe muita atividade metabólica. Durante a fase log, a bactéria se multiplica em alta velocidade considerando as condições fornecidas pelo meio. Durante a fase estacionária, existe um equilíbrio entre a divisão celular e a morte. Durante a fase de morte celular, existe um número maior de células mortas em relação ás novas células formadas. Métodos para quantificar diretamente o crescimento bacteriano O método-padrão de contagem em placa determina o número de células viáveis assumindo que cada célula bacteriana se desenvolverá em uma única colônia; as contagens em placa são consideradas como número de unidades formadoras de colônias (UFC). O método de contagem em placa pode ser realizado através da técnica de pour plate ou da técnica de espalhamento em placa. No método de filtração, a bactéria fica retida na membrana de filtração sendo, então, transferida para o meio de cultura para possibilitar seu crescimento e contagem. O método do número mais provável (MNP) é utilizado para microrganismos que crescem em meio líquido. Esse método utiliza a estatística para estimar o número de bactérias. O método de contagem direta no microscópio utiliza uma lâmina especialmente adaptada, onde será determinado o número de células em um volume conhecido de uma suspensão bacteriana. Métodos indiretos para determinação do número de células O espectofotômetro é utilizado na determinação de turbidez, estimando a quantidade de luz que atravessa uma suspensão de células. Uma maneira indireta de se determinaro número de células é através da sua atividade metabólica (por exemplo determinando-se a produção de ácido ou consumo de oxigênio). Para organismos filamentosos como fungos a determinação do peso seco é um método utilizado na estimativa de seu crescimento. Controle do crescimento microbiano Resumo I - Microbiologia Tortora A terminologia do controle bacteriano 35. O controle do crescimento microbiano pode prevenir infecções e deterioração de alimentos. 36. A esterilização é o processo de destruir toda a vida microbiana em um objeto. 37. A esterilização comercial é o tratamento com calor dos alimentos enlatados para destruir os esporos de C. Botulinum. 38. A desinfecção é o processo de reduzir ou inibir o crescimento microbiano em um superfície inanimada. 39. Anti-sepsia é o processo de reduzir ou inibir os microrganismos em tecido vivo. 40. O sufixo-cida significa matar; o sufixo -statico significa inibir. 41. Sepse é a contaminação bacteriana. A taxa de morte bacteriana 32. As populações bacterianas sujeitas ao calor ou a produtos químicos anti-microbianos normalmente morrem em uma taxa constante. 33. Esta curva de mortalidade, quando representada logaritmicamente, mostra a taxa constante de morte como uma linha reta. 34. O tempo que leva para matar uma população microbiana é proporcional ao número de micróbios. 35. As espécies microbianas e fases do ciclo de vida (e.g., endosporos) possuem diferentes suscetibilidades aos controles físico e químico. 36. A matéria orgânica pode interferir com os tratamentos de calor e agentes de controle químico. 37. A exposição mais longa a menos calor pode produzir o mesmo efeito que o período mais curto sob calor intenso Ações dos agentes de controle microbiano Alteração da permeabilidade da membrana 51. A sensibilidade da membrana plasmática se deve a seus componentes lipídicos e proteicos. 52. Certos agentes de controle químico lesam a membrana plasmática, alterando sua permeabilidade. Dano ás proteínas e aos nucleicos 45. Alguns agentes de controle microbiano lesam as proteínas celulares ao romper as pontes de hidrogênio e as ligações covalentes. 46. Outros agentes interferem com a replicação do DNA e RNA e com a síntese proteica. Métodos físicos de controle microbiano Calor 49. O calor é frequentemente usado para eliminar os microrganismos. 50. O calor úmido mata os microrganismos por desnaturação das enzimas. 51. O ponto de morte térmica (PMT) é a menor temperatura em que todos os micróbios de uma cultura líquida serão mortos em dez minutos. 52. O tempo de morte térmica (TMT) é a duração de tempo necessária para matar todas as bactérias em uma cultura líquida em uma dada temperatura. 53. O tempo de redução decimal (TRD) é a duração de tempo necessária para que 90% de uma população bacteriana seja morta em uma dada temperatura. 54. A fervura (100ºC) mata muitas células vegetais e vírus dentro de 10 minutos. 55. A autoclave (vapor sob pressão) é o método mais efetivo de esterilização com calor úmido. O vapor deve entrar em contato direto com o material a ser esterilizado. 56. Na pasteurização HTST, uma alta temperatura é usada por um curto período (72ºC por 15 segundos) para destruir os patógenos sem alterar o sabor do alimento. O tratamento com temperaturas ultra-elevadas (UHT) (140ºC por 3 segundos) é usado par esterilizar laticínios. 57. Os métodos de esterilização com calor seco incluem a chama direta, incineração e esterilização com ar quente. O calor seco mata por oxidação. 58. Diferentes métodos que produzem o mesmo efeito (redução no crescimento bacteriano) são denominados tratamentos equivalentes. Filtração A filtração é a passagem de um líquido ou gás através de um filtro com poros pequenos o suficiente para reter os micróbios. Os micróbios podem ser removidos do ar por filtros de partículas com alta eficiência. Os filtros de membrana compostos de nitro-celulose ou acetato de celulose são comumente usados para filtrar bactérias, vírus e mesmo proteínas de alta massa molecular. Baixas temperaturas A eficácia das baixas temperaturas depende do microrganismo particular e da intensidade da aplicação. A maioria dos microrganismos não se reproduz em temperaturas comuns do refrigerador (0- 7ºC). Muitos micróbios sobrevivem (mas não crescem) nas temperaturas abaixo de zero, usadas para armazenar alimentos. Alta pressão A alta pressão desnatura as proteínas nas células vegetais. Dessecação Na ausência de água, os microrganismos não podem crescer, mas podem permanecer viáveis. Vírus e endosporos podem resistir á dessecação. Pressão osmótica Os microrganismos em altas concentrações de sais e açúcares sofrem plasmólise. Os bolores e leveduras são mais capazes que as bactérias de crescer em materiais com baixa umidade ou alta pressão osmótica. Radiação Os efeitos da radiação dependem de seu comprimento de onda, intensidade e duração. A radiação ionizante (raios gama, raios X e feixes de elétrons de alta energia) tem um alto grau de penetração e exerce seu efeito principalmente ionizando a água e formando radicais hidroxila altamente reativos. A radiação ultra-violeta (UV), uma forma de radiação não-ionizante, tem baixo grau de penetração e causa lesão celular provocando dímeros de timina no DNA, que interferem com a replicação do DNA; o comprimento de onda germicida mais efetivo é 260nm. As micro-ondas podem matar os micróbios indiretamente á medida que os materiais se aquecem. Métodos químicos de controle microbiano Os agentes químicos são usados em tecidos vivos (como anti-sépticos) e em objetos inanimados (desinfetantes). Poucos agentes químicos atingem a esterilidade. Princípios da desinfecção efetiva Muita atenção deve ser dada ás propriedades e á concentração do desinfetante a ser usado. A presença de matéria orgânica, o grau de contato com os microrganismos e a temperatura também devem ser considerados. Avaliando um desinfetante No teste de uso-diluição, a sobrevivência bacteriana (S. Choleraesuis, S. Aureus e P. Aeruginsa) na diluição de um desinfetante recomendada pelo fabricante é determinada. Vírus, bactérias formadoras de endosporos, mico-bactérias e fungos também podem ser usados no teste de uso-diluição. No método de disco-difusão, um disco de papel filtro é embebido com uma substância química e colocado em uma placa de agar inoculada; uma zona de inibição indica efetividade. Tipos de desinfetante Fenol e compostos fenólicos Os compostos fenólicos exercem sua ação lesando as membranas plasmáticas. Bi-fenóis Bi-fenóis, como o triclosano (venda liberada) e hexa-clorofeno (prescrito) são amplamente usados em produtos cosméticos. Biguanidas A clorexidina lesa as membranas plasmáticas das células vegetais. Halogênios Alguns halogênios (iodo e cloro) são usados isoladamente ou como componentes de soluções inorgânicas ou orgânicas. O iodo pode ser combinado com certos aminoácidos para inativar enzimas e outras proteínas celulares. O iodo está disponível como tintura (em solução com álcool) ou como iodofor (combinação a uma molécula orgânica). A ação germicida do cloro baseia-se na formação de ácido hipo-cloroso quando o cloro é adicionado á água. O cloro é usado como desinfetante em forma gasosa (Cl2 ou ClO2) ou em um composto, como o hipo-clorito de cálcio, o hipo-clorito de sódio, o di-cloro-iso-cianureto de sódio e as cloraminas. Álcoois Os álcoois exercem sua ação desnaturando as proteínas e dissolvendo os lipídeos. Em tinturas, eles aumentam a efetividade de outros produtos químicos anti-microbianos. O etanol aquoso (60 a 95%) e o iso-propanol são usados como desinfetantes. Metais pesados e seus compostos Prata, mercúrio, cobre e zinco são usados como germicidas. Eles exercem sua ação anti-microbiana pela ação oligodinâmica. Quando os íons de metal pesado se combinam com os grupos sulfidrila (-SH), as proteínas são desnaturadas. Agentes de superfície Os agentes de superfície reduzem a tensão entre as moléculas de um líquido; os sabões e os detergentes são exemplos. Os sabões possuem ação germicida limitada, mas auxiliam na remoção dos microrganismos por escovação. Os detergentes ácido-aniônicos são usados para limpeza de equipamento de laticínios. Compostos quaternários de amônio Os quats são detergentes catiônicos unidos ao NH4+. Ao romper as membranas plasmáticas, eles permitem o vazamento dos constituintes citoplasmáticos para fora da célula. Os quats são mais efetivos contra as bactérias gram-positivas. Conservantes químicos de alimentos O SO2, o ácido sórbico, o ácido benzoico e o ácido propiônico inibem o metabolismo fúngico e são usados como conservantes de alimentos. Os sais de nitrato e nitrito impedem a germinação de endosporos de Clostridium butolinun na carne. Antibióticos A nisina e a natamicina são antibióticos usados para conservar alimentos, especialmente o queijo. Aldeídos Os aldeídos como o formaldeído e o gluraldeído exercem seu efeito anti-microbiano tornando as proteínas inativas. Eles estão entre os mais efetivos desinfetantes químicos. Químio-esterelizantes gasosos O óxido de etileno é o gás mais frequentemente usado para a esterilização. Ele penetra na maioria dos materiais e mata todos os microrganismos por desnaturação das proteínas. Peroxigênios (Agentes oxidantes) O ozônio, o peróxido e o ácido peracético são usados como agentes microbianos. Eles exercem seu efeito oxidando as moléculas dentro das células. Características e controle microbiano As bactérias gram-negativas geralmente são mais resistentes que as bactérias gram-positivas aos desinfetantes e anti-sépticos. As mico-bactérias, os endosporos e os cistos e oocistos dos protozoários são muito resistentes aos desinfetantes e anti-sépticos. Os vírus não-envelopados geralmente são mais resistentes que os vírus envelopados aos desinfetantes e anti-sépticos. Os príons são resistentes á desinfecção e á auto-clave. Genética bacteriana Resumo I - Microbiologia Tortora Transferência genética e recombinação A recombinação genética, o rearranjo dos genes a partir de grupos separados de genes, normalmente envolve o DNA de organismos diferentes; ela contribui para a diversidade genética. No crossing over, os genes de dois cromossomos são recombinados em um novo cromossomo, que contém alguns genes de cada cromossomo original. A transferência gênica vertical ocorre durante a reprodução quando os genes são passados de um organismo para seus descendentes. A transferência gênica horizontal nas bactérias envolve a transferência de um fragmento do DNA da célula de um doador para um receptor. Quando parte do DNA do doador é integrada ao DNA do receptor, a célula resultante é denominada recombinante. Transformação em bactérias Durante o processo de transformação, os genes são transferidos de uma bactéria para outra como DNA “nu” em solução. Esse processo foi demonstrado pela primeira vez em Streptococcus penumoniae e ocorre naturalmente entre poucos gêneros de bactérias. Conjugação em bactérias O processo de conjugação requer o contato entre as células vivas. Um tipo de célula doadora genética é F+; as células receptores são F-. As células F+ contêm plasmídeos denominados fatores F; estes são transferidos para as células F- durante a conjugação. Quando o plasmídeo é incorporado ao cromossomo, a célula é denominada de Hfr (alta frequência de recombinação) Durante a conjugação, uma célula Hfr pode transferir o DNA cromossômico para uma célula F-. Normalmente, o cromossomo Hfr se rompe antes de ser transferido completamente. Transdução em bactérias No processo de transdução, o DNA é passado de uma bactéria para outra em um bacteriófago e é então incorporado ao DNA do receptor. Na transdução generalizada, quaisquer genes bacterianos podem ser transferidos. Plasmídeos e transposons Os plasmídeos são moléculas de DNA auto-replicantes circulares, transportando genes que geralmente não são essenciais para a sobrevivência da célula. Existem vários tipos de plasmídeos, incluindo plasmídeos conjugativos, plasmídeos de dissimilação, plasmídeos que transportam genes para toxinas ou bacteriocinas e fatores de resistência. Os transposons são pequenos segmentos de DNA que podem se mover de uma região para outra do mesmo cromossomo, ou para um cromossomo diferente ou para um plasmídeo. Os transposons são encontrados nos principais cromossomos do organismo, em plasmídeos e no material genético dos vírus. Eles variam de simples (sequências de inserção) a complexos (contendo genes além dos envolvidos com a replicação do próprio transposon) Os transposons complexos podem transportar qualquer tipo de gene, incluindo genes de resistência a antibióticos, e assim, são um mecanismo natural para mover genes de um cromossomo para outro. Genes e evolução A diversidade é pré-condição para a evolução. A mutação e a recombinação genética fornecem uma diversidade de organismos, e o processo de seleção natural permite o crescimento daqueles mais bem adaptados a um dado ambiente. Pré-requisitos gerais Estrutura e função do material genético 42. Genética é o estudo do que são os genes, como eles transportam informação, como sua informação é expressa e como eles são replicados e passados ás gerações subsequentes ou a outros organismos. 43. O DNA nas células existe como uma hélice de fita dupla; as duplas fitas são mantidas juntas por pontes de hidrogênio entre pares de bases nitrogenadas específicas: AT e CG. 44. Um gene é um segmento de DNA, uma sequência de nucleotídeos que codifica um produto funcional, geralmente uma proteína. 45. Quando um gene é expresso, o DNA é transcrito para produzir RNA; o mRNA é então traduzido em proteínas. 46. O DNA em uma célula é duplicado antes da divisão celular; assim, cada célula filha recebe a mesma informação genética. Genótipo e fenótipo 38. O genótipo é a composição genética de um organismo, seu complemento integral de DNA. 39. O fenótipo é a expressão dos genes: as proteínas da célula e as propriedades que elas conferem ao organismo. DNA e cromossomos 53. O DNA em um cromossomo existe como uma dupla hélice longa, associada a várias proteínas que regulam a atividade genética. 54. O DNA bacteriano é circular; o cromossomo da E.coli, por exemplo, contém cerca de 4 milhões de pares de base e é aproximadamente mil vezes mais longo que a célula. 55. Genômica é a caracterização molecular dos genomas. 56. A informação contida no DNA é transcrita em RNA e traduzida em proteínas. Replicação do DNA 47. Durante a replicação do DNA, as duas fitas da dupla hélice se separam na forquilha de replicação, e cada fita é usada como um molde pela DNA polimerases para sintetizar duas fitas novas de DNAde acordo com a regra do pareamento de bases nitrogenadas. 48. Da replicação do DNA resultam duas novas fitas de DNA, cada qual tendo uma sequência de bases complementar a uma das fitas originais. 49. Como cada molécula de DNA de fita dupla contém uma fita original e uma fita nova, o processo de replicação é denominado semi-conservativo. 50. O DNA é sintetizado em uma direção designada 5'-3'. Na forquilha de replicação, a fita líder é sintetizada continuamente, e a fita complementar, descontinuamente. 51. A DNA polimerase verifica as novas moléculas de DNA e remove as bases erradas antes de continuar a síntese do DNA. 52. Cada bactéria filha recebe um cromossomo que é virtualmente idêntico ao da mãe. RNA e síntese proteica 59. Durante a transcrição, a enzima RNA polimerase sintetiza uma fita de RNA a partir de uma das fitas do DNA de fita dupla, que serve como molde. 60. O RNA é sintetizado a partir de nucleotídeos contendo as bases A, C, G e U, que fazem par com as bases de fita de DNA a ser transcrita. 61. O ponto de início da transcrição, onde a RNA polimerase se liga ao DNA, é o sítio promotor; a região do DNA que é o ponto de encerramento da transcrição é o sítio terminador; o RNA é sintetizado na direção 5'-3'. 62. Tradução é o processo em que a informação na sequência de bases de nucleotídeos do mRNA é usada para ditar a sequência de aminoácidos de uma proteína. 63. O mRNA se associa aos ribossomos, que consistem de rRNA e proteína. 64. Os segmentos de três bases de mRNA que especificam os aminoácidos são denominados códons. 65. O código genético refere-se ás relações entre a sequência de bases dos nucleotídeos do DNA, os códons correspondentes do mRNA e os aminoácidos que os códons codificam. 66. O código genético é degenerado; isto é, a maioria dos aminoácidos é codifica por mais de um códon. 67. Dos 64 códons, 61 são códons senso (que codificam aminoácidos) e 3 são códons anti-senso (que não codificam aminoácidos e são sinais de interrupção de tradução). 68. O códon de iniciação (start), AUG, codifica a metionina. 69. Aminoácidos específicos estão aderidos a moléculas de tRNA. Outra porção do tRNA tem um triplet de bases denominado anti-códon. 70. O pareamento de bases dos códons e anticódons no ribossomo resulta na captação de aminoácidos específicos para o local de síntese proteica. 71. O ribossomo se move ao longo da fita de mRNA á medida que os aminoácidos são unidos para formar um polipeptídeo em crescimento; o mRNA é lido na direção 5'-3'. 72. A tradução termina quando o ribossomo atinge um códon de parada (stop) no mRNA. 73. Em procariotos, a tradução pode começar antes que a transcrição esteja completa. A regulação da expressão gênica bacteriana 74. A regulação da síntese proteica no nível genético é eficiente em termos de energia, pois as proteínas são sintetizadas somente quando necessário. 75. As enzimas constitutivas fazem produtos em uma velocidade fixa. Exemplos são os genes para as enzimas da glicólise. 76. Para esses mecanismos reguladores genéticos, o controle é dirigido á síntese do mRNA. Repressão e indução A repressão controla a síntese de uma ou várias enzimas (repressíveis) Quando as células são expostas a um produto final específico, a síntese das enzimas relacionadas áquele produto diminui. Na presença de certas substâncias químicas (indutores), as células sintetizam mais enzimas. Esse processo é denominado indução. Um exemplo de indução é a produção de beta-galactosidase pela E.coli na presença de lactose; assim, a lactose pode ser metabolizada. O modelo Operon da expressão gênica A formação de enzimas é determinada por genes estruturais. Nas bactérias, um grupo de genes estruturais regulados coordenadamente com funções metabólicas relacionadas, além dos sítios promotor e operador que controlam sua transcrição, são todos denominados operon. No modelo de operon para um sistema indutível, um gene regulador codifica a proteína repressora. Quando o indutor está ausente, o repressor liga-se ao operador, e nenhum mRNA é sintetizado. Quando o indutor está presente, liga-se ao repressor, de modo que ele não pode se ligar ao sítio operador; portanto, o co-repressor controla a síntese da enzima. A transcrição de genes estruturais para enzimas catabólicas (como a beta-galactosidase) é induzida pela ausência de glicose. O AMP e o PRC cíclicos devem se ligar a um promotor na presença de um carboidrato alternativo. A presença de glicose inibe o metabolismo das fontes de carboidrato alternativas por repressão catabólica. Mutação: alteração no material genético A mutação é uma alteração na sequência de bases nitrogenadas do DNA; essa alteração modifica o produto codificado pelo gene mutado. Muitas mutações são neutras, algumas são desvantajosas e outras são benéficas. Tipos de mutações Uma substituição de base ocorre quando um par de bases no DNA é substituído por um par diferente. Alterações no DNA podem resultar em mutações non-sense (que causam substituições de aminoácidos) ou anti-senso (que criam um códon de parada). Em uma mutação de troca de fase de leitura (frameshift), um ou poucos pares de bases são deletados ou adicionados ao DNA. Os mutagênicos são agentes ambientais que causam alterações permanentes no DNA. As mutações espontâneas ocorrem sem a presença de um mutagênico. Mutagênicos Os mutagênicos químicos incluem os mutagênicos de pares de bases (e.g., ácido nitroso), análogos de nucleotídeo (e.g., 2-aminopurina e 5-bromouracil) e mutagênicos de troca de fase de leitura (e.g., benzopireno) A radiação ionizante causa a formação de íons e radicais livres que reagem com o DNA; isso resulta em substituições de base ou rompimento do esqueleto de açúcar-fosfato. A radiação ultravioleta (UV) não é ionizante; ela causa ligações entre as timinas adjacentes. O dano ao DNA causado pela radiação UV pode ser reparado por enzimas que clivam e substituem a porção lesada do DNA. As “enzimas de reparo em presença de luz” reparam os dímeros de timina na presença de luz visível. A frequência de mutação A taxa de mutação é a probabilidade de que um gene irá mutar quando uma célula se dividir; a taxa é expressa como 10 em uma potência negativa. As mutações normalmente ocorrem aleatoriamente ao longo de um cromossomo. Uma taxa pequena de mutações espontâneas é benéfica, fornecendo a diversidade genética necessária para a evolução. Identificando mutantes Os mutantes podem ser detectados por meio de seleção ou testes para um fenótipo alterado. A seleção positiva envolve a seleção de células mutantes e a rejeição de células não- mutadas. A placa réplica é usada para a seleção negativa – para detectar, por exemplo, auxotróficos que possuem necessidades nutricionais que a célula parental não possui. Identificando carcinógenos químicos O teste de Ames é um exame relativamente barato e rápido para identificar possíveis carcinógenos químicos. O teste presume que uma célula mutante pode reverter para uma célula normal em presença de um mutagênico e que muitos mutagênicos são carcinógenos. Os auxotróficos para histidina de Salmonella são expostos a um carcinógeno potencial tratado enzimaticamente, e reversões para o estado não-mutante são selecionadas. Biotecnologia Resumo I - Microbiologia Tortora Introdução á biotecnologia Biotecnologia é o uso de microrganismos, células ou componentes celulares para fazer um produto. Tecnologia do DNA recombinante Os organismos de parentesco próximo podem trocar genes
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