Arqueas: características e camada S

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Arqueas 
 
O grupo das arqueas é relativamente recente (os estudos); 
Antes de 1977: procariotos isolados de ambientes extremos eram considerados bactérias – 
arqueobactérias; 
Em 1977, Carl Woese propôs nova classificação – Domínio; 
Carl Woese verificou que a composição lipídica das paredes dessas células era completamente 
diferente daqueles já conhecido a bastante tempo; 
Em 1990, a partir de estudos de sequencias de RNAr 16S e 18S ele confirmou que realmente 
essa classificação em domínio era válida. 
Em 1996 que o primeiro genoma completo de uma arquea foi sequenciado. 
Características gerais: 
- Formas variadas, como bactérias; 
- Unicelulares, porém podem formar filamentos ou agregados, 0,1 – 15 µm; 
- Mesmos processos de divisão celular; 
- Aeróbios ou anaeróbios; 
- Quimiorganotróficos ou quimiolitotróficos – uso de compostos químicos orgânicos ou 
inorgânicos para obtenção de energia; 
(Exceção: halófilas - fotofosforilação não-fotossintética) 
- Arqueas não fazem fotossíntese; 
- Conseguem converter CO2 em moléculas orgânicas; 
- Via glicolítica de Entner-Doudouroff não-fosforilada; 
- Composição única de membrana plasmática; 
- Presença de camada S em quase todas as espécies; 
 
Tirando a questão da monocamada, todas essas outras diferenças são apresentadas por todas 
as arqueas. 
A camada S representa a parede celular encontrada nessas arqueas (grande maioria das 
arqueas). 
Camada S: 
- A camada S está presente em várias bactérias, mas se encontra a cima da parede celular e 
apresenta uma estrutura fina (5-20 nm); 
- Na maioria das arqeuas apresenta uma espessura diferente (70nm), bem mais desenvolvida e 
é a única estrutura que se encontra acima da membrana plasmática, sendo considerada assim 
uma parede celular; 
- Pela frequência (quantidade grande da presença de camada S em praticamente todas as 
arqueas) e sua estrutura simples alguns pesquisadores dizem que essa camada representa o 
primeiro protótipo de parede celular feito pelo processo de evolução; 
- Composição: 
 Sempre formada por proteínas e glicoproteínas que apresentam uma composição rica 
em aminoácidos acídicos, por isso tem vários cátions associados; 
 Só existe um tipo de proteína ou glicoproteína por camada S (uma só que vai se 
repetindo várias vezes na superfície dessas células); 
 Assumem um arranjo cristalino simétrico, formando uma estrutura muito bem 
organizada criando poros específicos na superfície dessas arqueas (2-8nm); 
 Existe uma parte dessas proteínas ou glicoproteínas que se fixam a membrana 
havendo então um domínio transmembrana para essa fixação acontecer de maneira bem 
eficaz. 
- Funções: 
Barreira à passagem de moléculas maiores; 
Determinação da forma celular; 
Resistência à pressão osmótica; 
Adesão a superfícies. 
Qual seria o papel dessa camada S para ajudar as arqueas a ter uma resistência a pressão 
osmótica? 
Quando se tem uma célula de forma esférica que não tem uma parede celular, quando essa 
célula é submetida a uma diferença de pressão osmótica a entrada de grande volume de água 
em uma célula vai promover o crescimento do tamanho dessa membrana até se chegar a um 
limite máximo onde essa camada de fosfolipídios vai se desorganizar. 
Com a camada S, elas se fixam e com o domínio transmembrana formam um padrão de 
membrana muito estável na superfície dessas células. Então a pressão osmótica seria exercida 
somente em algumas regiões (intervalos de regiões) da membrana plasmática. Dessa maneira 
então a camada S ajudaria as arqueas a resistir as diferenças de pressão osmótica que vão ser 
exercidas nos diferentes ambientes. 
Obs.: Quando a camada S é removida ela fica muito suscetível da diferença de pressão 
osmótica. 
Resumo: Basicamente a camada S atravessa a membrana e separa ela em microrregiões. 
Tornando mais fácil a resistência a diferença de pressão osmótica, já que essa pressão atuaria 
em algumas microrregiões e não na membrana como um todo.  Isso é uma proposta, não 
tem nenhuma garantia de que o processo é assim. 
Outras estruturas de superfície: flagelos, pili 
Essas duas estruturas em arqueas estão envolvidas na adesão celular e a superfícies. 
Flagelo de arqueas: 
O que esse flagelo tem de diferente quando comparado aos flagelos das bactérias? 
Não tem corpo basal nem anéis; 
Esses flagelos não utilizam gradiente de prótons, e sim a hidrólise de ATP; 
São bem mais finos; 
É formado crescendo a partir da sua base. 
Possível estrutura de superfície para adesão e formação de biofilme: 
Hamus: é uma estrutura observada em torno de algumas arqueas em que na superfície dessas 
arqueas pode-se ter várias dessas projeções (apêndices extracelulares filamentosos, contendo 
ganchos) que serve tanto para a adesão de arqueas diferentes assim como para ajudar a 
formação de uma base para o biofilme. 
Arqueas – 4 grupos: 
- termófilos extremos (hipertermófilos) – Filo Crenarchaeota; 
- termoacidófilos, halofílicos, metanogênicos - Filo Euryarchaeota. 
Obs.: Classificação baseada na biologia molecular, ou seja, composição de RNAr que criam 
essas diferenças. 
- A grande maioria das arqueas é observada em ambientes externos (por isso que demoraram 
a ser estudadas, caracterizadas e até mesmo isoladas, porque é difícil simular os ambientes 
extremos em que vivem dentro de um laboratório); 
- Extremos de sobrevivência conhecidos nas arqueas: 
Geogemma barossi - crescimento a 121°C; sobrevivência por algumas horas a 130°C 
Picrophilus oshimae – crescimento em pH 0,6 
Natronobacterium gregoryi – crescimento em pH 10 
Halobacterium salinarum – crescimento em NaCl 32% 
Obs.: Várias arqueas ganharam em seu nome o termo “bacterium”, mas elas não são bactérias. 
 
Filo Euryarchaeota: 
1 - Metanogênicos: 
- Methanobacterium, Methanosarcina, Methanospirillum; 
- São anaeróbios estritos, ou seja, só vivem em anaerobiose. Vão utilizar vários processos para 
produzir o gás metano, com alguns cofatores únicos e exclusivos (coenzima F, coenzima M, 
coenzima P, hetero de sulfeto redutase); 
- São extremamente importantes para a degradação de matéria orgânica, por conta disso 
estão presentes em ambientes anaeróbios como: pântanos, trato digestivo de animais, usinas 
de tratamento de lixo, fendas hidrotermais; 
- O que essas células mais utilizam para metanogênese é o CO2, metanol, acetato (esses 
componentes são liberados por metabolismo de bactérias, ou seja, nesses ambientes também 
tem bactérias); 
- Alguns são hipertermófilos, ou seja, resistem a temperaturas bem mais altas; 
- Apresentam uma grande variedade de tipos de parede celular: 
 Camada S; 
 Pseudopeptidoglicana ou pseudomureína (encontrada somente em metanogênicos); 
 Metanocondroitina (fica a cima da camada S dessas células); 
 Capa proteinácea. 
Pseudopeptidoglicana (pseudomureína): 
Methanobacterium, Methanothermus, Methanobrevibacter 
- Apenas em metanogênicos; 
- Sem aminoácidos na forma D, como encontrado nas bactérias; 
- Enzimas sem homologia com a síntese de peptidoglicana – evolução distinta. 
- Ganhou esse nome porque um de seus carboidratos é diferente, ou seja, só é encontrado nas 
arqueas (N-acetiltalosaminurônico). A ligação com a N-acetilglicosamina é uma ligação 
glicosídica diferente das encontradas em bactérias. 
Metanocondroitina: 
- Esse polímero só é encontrado quando as células desse gênero Methanosarcina spp se 
agregam; 
(Células individualizadas: apenas camada S) 
[β-D-GlcA-(1-3)-β-D-GalNAc-(1-4)-β-D-GalNAc-]n 
- Ganhou esse nome porque a estrutura é parecida com a estrutura que o ser humano tem na 
condroitina do tecido conjuntivo; 
- Mantem as células unidas. 
Capas proteináceas: 
Methanospirillumhungatei, Methanosaeta concilii 
- Estrutura formada sobre a camada S; 
- Formação de filamentos celulares; 
- Proteínas ricas em cisteína – menor porosidade e maior estabilidade (por causa das pontes de 
sulfeto). 
 
2 - Halofílicos: 
- Halobacterium, Haloferax, Natronobacterium; 
- Salinas e lagos salgados (Ex: Mar Morto); 
- Mínimo de NaCl 9%, até 32% (5,5 M) – halofílicos “extremos”; 
- Podem ser alcalofílicos (gostam de pH 9-10 para conseguir se dividir). 
Como as arqueas halofílicas controlam a pressão osmótica em sua superfície? 
Normalmente as células na natureza se encontram em ambientes aonde, por elas 
concentrarem nutrientes no seu citoplasma, elas se colocam em situações de ambiente 
hipotônico, com isso a tendência normal é a entrada de água para o citoplasma levando aquela 
pressão osmótica que costuma desencadear um processo de morte celular. Para justamente 
evitar isso é que a grande maioria das células procarióticas vão ter uma parede acima da 
membrana para evitar o crescimento desordenado da célula que romperia a sua membrana. 
Só que no caso das arqueas halófilas, estamos falando da situação oposta, onde se tem muito 
mais moléculas (no caso NaCl) do lado de fora do que do lado de dentro dessa célula. Então 
para contrapor esse meio hipertônico extracelular, essas halofílicas extremas, acumulam no 
meio citoplasmático uma grande quantidade de K+ (potássio). 
- Proteínas citoplasmáticas: 
 Apresentam na sua estrutura primária, ou seja, nas suas sequências de aminoácidos 
uma grande quantidade de aminoácidos acídicos (aspartato, glutamato) dando carga negativa 
e um baixo teor de aminoácidos hidrofóbicos ou básicos (lisina). A grande quantidade de carga 
negativa dada por esses aminoácidos acídicos vai ser estabilizada, justamente pelo acumulo de 
íons potássio. O mesmo se observa nas estruturas dos ribossomas do halofílicos que se 
estabilizam por altas concentrações de íons potássio. 
Tudo que fica do lado de fora (parede celular, enzimas) tem que ser estabilizado pelas altas 
concentrações de sódio desse ambiente. 
Parede celular de arqueas halofílicas extremas: Heteropolissacarídeo sulfatado 
Halococcus; 
Sobrevivência em ambientes salinos; 
Estabilização por íons Na+. 
Halobacterium salinarum: 
- Camada S com carboidratos com carga negativa e sulfatados. 
Obs.: tem que ter muita carga negativa para ser contrabalanceado com o excesso de cargas 
positivas dos íons. 
Glutaminil glicana: 
- Natronococcus spp. 
- Arqueas halofílicas e alcalofílicas (lagos ricos em carbonato de sódio) 
- Parede celular formada por glicoproteína (glutaminil glicana): 
Parte proteica: polimerização exclusiva de ácido glutâmico 
Parte glicídica: oligossacarídeos contendo GlcNAc, GalA, GalNAc e glicose 
Arqueas halofílicas: 
 - Normalmente são aeróbios 
- Vesículas de gás (no seu citoplasma) – flutuabilidade 
Em anaerobiose: respiração anaeróbia ou presença de bacteriorodopsina 
Bacteriorodopsina (pigmentos): 
- Proteína contendo retinal – mudança de conformação pela absorção de luz - Pigmento 
vermelho; 
Então o que essas células acabam fazendo é pela absorção de energia luminosa induzir uma 
mudança na conformação desse retinal, aonde ele consegue por essas mudanças 
conformacionais captar prótons do meio citoplasmático e liberar esses prótons no meio 
extracelular.  Exatamente como acontece na cadeia transportadora de elétrons na 
respiração celular. 
Halorodopsina (pigmentos): translocação de Cl (ânion para K+). 
Muito comum essas arqueas serem encontrados em salinas. 
Haloquadratum walsby – arquea halofílica de morfologia quadrada. 
Envelope celular: Camada S + Cápsula ácido glutâmico + Halomucina 
Halomucina – proteína semelhante à mucina humana 
Proteção contra dessecação em vários tecidos (olhos, epitélio dos brônquios) 
3 - Termoacidófilos: 
- Thermoplasma, Picrophilus, Ferroplasma 
- Temperaturas elevadas, extremamente acidófilos; 
- Crescimento a 55-60°C, pH 2 
- Fontes termais, locais com atividade vulcânica 
- Crescimento aeróbio ou anaeróbio 
- Membrana impermeável para o transporte de ácidos – para a manutenção do pH neutro do 
citoplasma 
- Alguns sem parede celular 
Dentro desse filo temos alguns poucos hipertermófilos - Thermococcus, Pyrococcus, 
Archaeoglobus, Methanopyrus 
- Situação exclusiva em Thermoplasma: 
Termoacidófila; 
Sem parede celular – presença de lipoglicana - estabilidade em condições ácidas e altas 
temperaturas: 
- Lipoglicana – se comporta como o glicocálice como em eucariotos; 
- Essas Arqueas são pleomórfica – sem forma definida; 
- Elas só sobrevivem em ambientes isotônicos. 
As arqueas apresentam coloração de gram positiva, porque basta haver um polímero do lado 
de fora da célula para que aquele complexo formado pelo cristal violeta e o lugol fique retido e 
aí essa célula apresente a cor de bactéria gram positiva. 
Quando é formado apenas por camada S (por não ser uma camada com ligações covalentes) a 
coloração é gram negativa. 
Filo Crenarchaeota: 
- Sulfolobus, Pyrolobus, Ignicoccus, Thermoproteus; 
- Hipertermófilos, normalmente acidófilos e oxidantes de S, H2, Fe2+; 
- Normalmente anaeróbios – respiração anaeróbia; 
- Temperatura ótima de crescimento acima de 75°C – maioria acima de 100°C; 
- Fendas hidrotermais (altas profundidades), fontes termais, gêisers; 
- Alguns não-termofílicos: água em ponto de congelamento (- 2 a +4°C) – Antárctica. 
 
Características exclusivas de termófilos extremos (hipertermófilos): 
- Consideradas as arqueas mais “primitivas” – com evolução lenta; 
- Tem uma membrana plasmática com estrutura em monocamada; 
- Camada S com maior número de cadeias de carboidratos (acredita-se que é para da 
resistência á maiores temperaturas); 
- Formação de redes de células, conectadas por “cânulas”: 
 Essas redes são formadas após a divisão celular (as células não se separam 
totalmente); 
 São glicoproteínas termo-resistentes (acredita-se que pode ser uma maneira delas 
formarem biofilme); 
 Comunicação celular; 
 Fixação a superfícies; 
 Troca de nutrientes. 
- Maior teor G + C no RNAr (guanina e citosina tem maiores quantidade de pontes de 
hidrogênio conferindo maior estabilidade ao RNAr); 
- Proteção ao DNA: 
Superenovelamento positivo com DNA girase reversa – proteção contra a 
desnaturação térmica; 
Proteína de ligação a DNA Sac7d – aumento da resistência térmica em até 40°C; 
Agentes termoestabilizantes – 2,3-difosfoglicerato cíclico 1 M em Methanopyrus – 
evitar desnaturação de enzimas e do DNA. 
Limite superior de temperatura previsto – 150°C – estabilidade do ATP 
- Proteínas com estrutura terciária e quaternária rica em aminoácidos hidrofóbicos no seu 
interior – impedimento da desnaturação; 
- Proteínas com fortes interações iônicas na superfície; 
- Proteínas chaperonina: 
Proteínas de choque térmico – “redobramento” de proteínas parcialmente 
desnaturadas. 
Detecção de arqueas na microbiota humana – predomínio de metanogênicos: 
A maioria das arqueas que são obtidas e que foram capazes de serem isoladas e cresceram em 
laboratório são arqueas metanogênicas. Só que novamente por esses estudos de RNAr 
detectando a presença dessas moléculas sem a gente conseguir isolar os microrganismos que 
tem essas moléculas teríamos várias outras arqueas que não são metanogênicas. 
Arqueas já foram isoladas da cavidade oral (todas metanogênicas), da parte da traquéia e 
principalmente no intestino e no epitélio vaginal. 
Associação com patologias? 
- Periodontite 
- Doenças gastrointestinais / Carcinoma 
- Obesidade (foi observada uma diminuição dessas arqueas que são detectadas) 
Produçãode enzimas com aplicação industrial: 
Enzimas extracelulares (exoenzimas) de arqueas hipertermófilas, acidófilas e alcalofílicas: 
extremozimas 
Amilases  Remoção de manchas / detergentes 
 Fabricação do papel 
Proteases  Amaciante de carnes 
 Remoção de manchas 
 Limpeza de ferimentos (colagenases) 
 Amaciante de couro 
Celulases  Amaciante de roupas 
Lipases  
Taq polimerase 
Biologia molecular de arqueas: 
- Cromossoma circular e único – como bactérias 
- Genoma menor que o das bactérias 
- Superenovelamento com histonas – como eucariotos - Superenovelamento com DNA girase – 
como bactérias 
- Enzimas de replicação do DNA (helicase, DNA polimerase) – mais semelhantes a eucariotos 
- RNA polimerase – semelhante a eucariotos 
RNA polimerase de bactérias – sensível a rifamicinas RNA polimerase de arqueas e eucariotos 
– resistentes a rifamicinas 
- RNA mensageiro policistrônico – codificando várias proteínas: comum a bactérias e arqueas 
- Transcrição e tradução acopladas em bactérias e arqueas – ausência de núcleo 
- Ausência de introns – como bactérias 
- Ribossomas: 
- Tamanho semelhante ao de bactérias (70S) 
- Proteínas semelhantes ao de eucariotos 
Ribossomas 70S de bactérias – sensíveis a aminoglicosídeos 
 - resistentes à toxina diftérica 
Ribossomas 70S de arqueas e 80S de eucariotos – resistentes a aminoglicosídeos, sensíveis à 
toxina diftérica 
Proteínas ribossomais: 
- 34 proteínas com sequências homólogas em bactérias, arqueas e eucariotos 
- 33 proteínas com sequências homólogas em arqueas e eucariotos 
- Sem proteínas comuns apenas a bactérias e eucariotos 
RNA ribossomal: sequências homólogas em arqueas e eucariotos 
Mitocôndrias e cloroplastos: ribossomas 70S, DNA circular 
Origem da célula eucariótica: 
Hipótese 1: célula eucariótica, já com núcleo, adquire mitocôndrias e cloroplastos por 
endossimbiose 
Formação do núcleo devido ao maior tamanho do genoma 
Hipótese 2: associação de uma bactéria e uma arquea 
Arquea – hospedeiro 
Bactéria – endossimbionte que originou mitocôndrias e cloroplastos 
- transferência de genes para o “hospedeiro” 
LUCA – “last universal common ancestor” 
Possível localização – fendas hidrotermais 
Hipertermófilo 
Utilização de H2 como fonte de energia 
Anaeróbio Características de Clostridium (Bacteria) e metanogênicos (Archaea)