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3/11/14 1 NUTRIÇÃO E CRESCIMENTO MICROBIANO CURSO DE ODONTOLOGIA Disciplina de Microbiologia Profa. Dra. Vanessa R. Santos CRESCIMENTO MICROBIANO: Em microbiologia, o termo crescimento refere-se a um aumento do número de células e não ao aumento das dimensões celulares. Crescimento Microbiano = associado ao crescimento de uma população de células (uma célula dará origem a duas ao fim de um certo tempo, tempo de geração ou de duplicação.) Crescimento Microbiano 1. Fatores necessários para o crescimento Fatores Químicos (Nutrientes) Fatores Físicos 2. Meio de Cultura Meio Complexo Meio Definido FATORES NECESSÁRIOS PARA O CRESCIMENTO - FATORES QUÍMICOS: água fontes de carbono e nitrogênio minerais oxigênio fatores orgânicos - FATORES FÍSICOS: temperatura pH pressão osmótica (concentração de sal) Ambiente com < concentração de água: desenvolvem mecanismos para obter água através do aumento da concentração de solutos internos seja pelo bombeamento de íons para o interior celular ou pela síntese de solutos orgânicos (açúcares, álcoois ou aminoácidos). FATORES QUÍMICOS - Essencial para os microrganismos - Disponibilidade variável no ambiente 1. ÁGUA: a) CARBONO: - essencial para a síntese de todos os compostos orgânicos necessários para a viabilidade celular (elemento estrutural básico para os seres vivos) - organismos quimio-heterotróficos: obtém C a partir de materiais orgânicos como proteínas, carboidratos e lipídeos. - organismos foto-autotróficos: obtém C a partir de CO2 e íons de bicarbonato, pelos quais conseguem todos os elementos orgânicos necessários para sua nutrição. FATORES QUÍMICOS 2. FONTES DE CARBONO, NITROGÊNIO, ENXOFRE E FÓSFORO: 3/11/14 2 b) NITROGÊNIO, ENXOFRE E FÓSFORO: - N, S: síntese de proteínas - N, P: síntese de DNA e RNA, ATP Peso seco de uma célula bacteriana: 14 % N, 4 % S, P NITROGÊNIO - utilizado para sintetizar os grupos aminos presentes nos aminoácidos. Obtenção de N: - Decomposição de materiais orgânicos (proteínas, aminoácidos) - Amônia (NH4 +) - Nitrato (NO3-) FATORES QUÍMICOS 2. FONTES DE CARBONO, NITROGÊNIO, ENXOFRE E FÓSFORO: b) NITROGÊNIO, ENXOFRE E FÓSFORO: ENXOFRE - utilizado na síntese de aminoácidos contendo S e de vitaminas (tiamina e biotina). FÓSFORO - essencial para a síntese dos ácidos nucléicos e para os fosfolipídeos componentes da membrana celular. Fontes naturais de S: íon sulfato (SO4-2), sulfito de hidrogênio, aminoácidos Fontes naturais de P: íon fosfato (PO4-3), DNA, RNA, ATP FATORES QUÍMICOS 2. FONTES DE CARBONO, NITROGÊNIO, ENXOFRE E FÓSFORO: c) POTÁSSIO, MAGNÉSIO E CÁLCIO: - também são elementos essenciais para os microrganismos - frequentemente encontrados como co-fatores para as reações enzimáticas. d) ELEMENTOS TRAÇOS: - FERRO, COBRE, MOLIBDÊNIO, ZINCO - utilizados como co-fatores essenciais para atividade de algumas enzimas utilizar água destilada para meio de cultura – contém todos os elementos traços FATORES QUÍMICOS 2. FONTES DE CARBONO, NITROGÊNIO, ENXOFRE E FÓSFORO: Figura 1 1. AERÓBIOS - Estritos (obrigados): necessitam de O2 - Facultativos: não necessitam de O2 mas crescem melhor com O2 - Microaerófilo: necessitam de O2 mas em níveis menores 2. ANAERÓBIOS - Aerotolerantes: não necessitam de O2 mas crescem melhor sem O2 - Estritos (obrigados): não toleram O2 (letal) - extremamente importante no desenvolvimento microbiano - organismos classificados em: FATORES QUÍMICOS 3. OXIGÊNIO AERÓBIO ESTRITOS alta [O2] catalase SOD ANAERÓBIO ESTRITO sem O2 ausência: catalase SOD MICRO AERÓFILO baixa [O2] AERÓBIO FACULTATIVO alta e baixa [O2] catalase SOD alta e baixa [O2] SOD ANAERÓBIO AEROTOLERANTES Figura 1. Efeito do oxigênio sobre o crescimento de vários tipos de bactérias. Catalase e a superóxido dismutase reduzem para H2O os compostos tóxicos. FATORES FÍSICOS 1. TEMPERATURA: A maioria dos microrganismos cresce bem nas temperaturas ideais para os seres humanos. - Temperatura de crescimento mínima: < temperatura onde a espécie é capaz de crescer - Temperatura de crescimento ótima: onde a espécie apresenta melhor crescimento - Temperatura de crescimento máxima: > temperatura, onde ainda é possível o crescimento Figura 2 3/11/14 3 Figura 2. Taxa de crescimento vs. temperatura FATORES FÍSICOS 1. TEMPERATURA: Microrganismos são classificados em 3 grupos: - Psicrófilos: crescem em baixas temperaturas (-10 a 15 °C) - Mesófilos: crescem em temperaturas moderadas (10 a 50 °C) - Termófilos: crescem em altas temperaturas (40 a 70 °C) Termófilos extremos (68 a 110 °C) Figura 3 Figura 3. Curva de crescimento característica de diferentes microrganimos Termófilos extremos FATORES FÍSICOS 2. pH: - refere-se a acidez ou a alcalinidade de uma solução; - maioria dos microrganismos cresce melhor perto da neutralidade (pH 6,5 – 7,5); - poucas bactérias são capazes de crescer em pH ácido (como pH 4,0) Exceções: - Bactérias acidófilas: alto grau de tolerância à acidez(Thiobacillus de 0,5 a 6,0 com ótimo entre 2 e 3,5) - Bactérias alcalifílicas: (Bacillus e Archaea) (pH 10 – 11). Figura 4 Figura 4. Distribuição de alguns microrganismos de acordo com o pH (Adaptado de Madigan et al., Brock Biology of Microorganisms, 2003) - Os microrganismos retiram da água a maioria dos nutrientes solúveis (conteúdo celular 80 – 90 % de água) - Pressão osmótica: retira a H2O dentro da célula - Reação Hipertônica: perda de H2O do meio intracelular para o extracelular, através da membrana plasmática (meio com concentração de sais). - Plasmólise: diminuição da membrana plasmática da célula devido a perda de H2O por osmose. Figura 5 FATORES FÍSICOS 3. PRESSÃO OSMÓTICA: 3/11/14 4 Figura 5. Taxa de crescimento de alguns microrganimos vs. a concentração de sal. Não Halófilos: não necessitam de sal e não toleram a presença no meio. Halotolerantes: não necessitam de sal mas toleram a presença no meio. Halófilos: necessitam de sal em uma concentração moderada Halófilos extremos: necessitam de sal em altas concentrações. MEIO DE CULTURA - material nutriente preparado em laboratório para o crescimento de microrganismos, cuja composição deve atender aos princípios expostos anteriormente; - meio adequado para um determinado microrganismo; necessário conhecer a fisiologia das bactérias em estudo; o meio ideal para uma bactéria pode ser ruim para outra; CULTURA microrganismos que crescem e se multiplicam em um meio MEIO DEFINIDO Exemplo: cultivar uma bactéria como a Escherichia coli, habitante normal do intestino dos mamíferos. A partir da glicose e de sais minerais e outras substâncias do meio consegue fabricar todos os componentes necessários para sua nutrição. TENHO CONHECIMENTO DA COMPOSIÇÃO DO MEIO = DEFINIDO ADICIONO EXTRATO DE CARNE (RICO EM VITAMINAS E AMINOÁCIDOS) = MEIO COMPLEXO NÃO TENHO CONHECIMENTO DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA EXATA DO EXTRATO DE CARNE MEIO DE CULTURA Estado físico – Sólido: placas de petri ou tubos – Semi sólido – Líquido MEIO DE CULTURA ESTADO FÍSICO: – Líquido: Geralmente as bactérias tem maior facilidade em começar o seu desenvolvimento neste tipo de estado, principalmente se seu número é, de início, pequeno; – Sólido: Quando há mais de um tipode bactérias no material semeado, o crescimento final será constituído de uma mistura de bactérias. Para se estudar individualmente cada bactéria, precisa haver uma “cultura pura”. Para separá-las de uma cultura líquida é preciso semeá-las em um meio sólido. (Adiciona-se agentes solidificantes ex.: ágar) – Semi sólido: quando a quantidade de ágar ou gelatina é menor dando uma consistência intermediária (avaliar moo. móveis; tensões variadas de O2). MEIO DE CULTURA MEIO DE CULTURA FUNÇÃO: - Seletivo: impede o crescimento das espécies indesejáveis Ex.: corantes básicos inibem o crescimento de bactérias Gram-positivas, enquanto outros componentes inibem as Gram-negativas. - Diferencial: conferem características especiais às colônias Ex.: bactérias fermentadoras de lactose, semeadas em meio contendo lactose e um indicador, dão colônias de cor diferente das não- fermentadoras, pois, crescendo, fermentam a lactose, originando o ácido lático, que faz “mudar” o indicador. 3/11/14 5 MEIO DE ENRIQUECIMENTO: favorece o desenvolvimento de uma população bacteriana que esta em desvantagem entre outras populações. MEIOS REDUTORES: meios com reagentes, como o tioglicolato de sódio, que é capaz de se combinar com o oxigênio dissolvido eliminando este elemento do meio de cultura (específico para microrganismos anaeróbios). MEIO DE CULTURA - DIVISÃO BACTERIANA: - FISSÃO BINÁRIA - BROTAMENTO - FASES DE CRESCIMENTO: - FASE lag - FASE log - FASE ESTACIONÁRIA - FASE DE MORTE CELULAR CRESCIMENTO DAS CULTURAS BACTERIANAS DIVISÃO BACTERIANA: é considerado o aumento do número de indivíduos e não do tamanho celular. 1. BROTAMENTO: < nº de bactérias (forma um broto que quando atinge o tamanho da célula parental se separa) 2. FISSÃO BINÁRIA: - alongamento da célula e a replicação do DNA cromossomal; - início da invaginação da parede celular e da membrana plasmática; - em um determinado momento, as duas seções da parede celular de encontram; - produção de duas células-filhas individuais idênticas à célula mãe. Figura 6 CRESCIMENTO DAS CULTURAS BACTERIANAS Fissão Binária (Adaptado de Tortora, G.J., et al., Microbiology,2003) Figura 6. Fissão binária bacteriana. TEMPO DE GERAÇÃO: é o tempo necessário para uma célula se dividir (e sua população dobrar de tamanho). - tempo varia de acordo com o organismo; - depende das condições ambientais (nutricionais, temperatura, etc...) maioria das bactérias: 1 – 3 h CRESCIMENTO DAS CULTURAS BACTERIANAS CURVA DE CRESCIMENTO: demonstra o crescimento das células durante um período de tempo. É obtida pela contagem da população em intervalos de tempo após um inóculo de um número pequeno de bactérias em meio de cultura. FASE lag: pouca ou ausência de divisão celular (fase de adaptação) - ≥ 1 hora (estado de latência, com intensa atividade metabólica) FASE log: início do processo de divisão (período de crescimento ou aumento logarítmo) (reprodução celular extremamente ativa, sensíveis as mudanças ambientais - * EFEITO DE ANTIBIÓTICOS) FASE ESTACIONÁRIA: velocidade de crescimento diminui nº de células vivas = nº de células mortas FASE DE MORTE CELULAR: nº de células mortas excede o de células novas. Figura 7 FASES DE CRESCIMENTO 3/11/14 6 FASE Lag Fase de adaptação ao novo meio Intensa atividade metabólica Síntese das enzimas de indução Taxa de multiplicação é baixa FASE EXPONENCIAL ou Log Multiplicação é máxima e constante Taxa de multiplicação supera a taxa de morte celular FASE ESTACIONÁRIA Acúmulo de metabólitos tóxicos Falta de nutrientes taxa de morte celular igual a taxa de multiplicação 3/11/14 7 FASE DE DECLÍNIO Decréscimo na população – Metabólitos tóxicos – Falta de nutrientes – taxa de morte celular supera a taxa de multiplicação Figura 7. Curva de crescimento bacteriano mostrando as 4 fases típicas.
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