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Aula 4: Estrutura e morfologia das células procarióticas Microbiologia Geral Prof. Thiago Corrêa de Souza Universidade Federal de Alfenas Instituto de Ciências da Natureza (ICN) Procariontes vs. Eucariontes - revisão Procariontes -Sem núcleo -Sem organelas envoltas por membranas -Parede celular contém Peptideoglicano -Tamanho: menos de vários micrômetros - DNA circular, sem histonas - Divisão: fissão binária Eucariontes -Núcleo -Organelas envoltas por membranas -Sem Peptideoglicano, se a parede celular estiver presente -Tamanho: pode ser 10 vezes maior -DNA em múltiplos cromossomos, presença de histonas. - Divisão: mitose Esquemas VS Microscopia Apêndices: pili (singular-pilus) e flagelos Estrutura da célula bacteriana (Eubactérias e arqueobactérias) Lembrando....bactérias -Além de estarem ligadas a doenças patogênicas possuem grandes funções nos ecossistemas: +responsáveis pela reciclagem da matéria orgânica morta +fixação do nitrogênio (fertilidade do solo) +decomposição de poluentes no solo +fabricação de fármacos, bebidas lácteas... +etc... O estudo da estrutura e da morfologia bacteriana é de fundamental importância na bacteriologia -Existem vários tipos de bactérias (classificação) e sua diferenciação pode ser feita pela sua forma (morfologia) constituição química; fisiologia (nutrição e bioquímica; fonte de energia) Tamanho, formato e arranjo das células bacterianas Tamanho: Comprimento= 0,2 a 2 μm Diâmetro= 2 a 8 μm Resolução humana – 100 μm Bactérias são seres microscópicos Então precisamos de Microscópio óptico (0,2 μm) e microscópio eletrônico (1nm) Tamanho, formato e arranjo (subtipos morfológicos) das células bacterianas Formato Existem 3 formas comuns de bactérias Cocos (ovaladas e arredondadas) Bacilos (forma de bastão, bastonetes, são alongadas) Espiral (possui 1 ou mais curvaturas – forma helicoidal) Existem outras formas Algumas estruturas são comuns a todas as espécies e outras estão presentes em certas espécies ou somente sob determinadas condições ambientais. A maioria são monomórficas (possuem apenas uma forma/tamanho). Mas existem bactérias pleimórficas (possui mais formas como o gênero Rhizobium sp.) As células bacterianas possuem estruturas externas, fixadas à parede celular e estruturas internas. Para facilitar o estudo, pode-se dividir as estruturas em: Estruturas externas a parede celular Parede celular propriamente dita Estruturas internas a parede celular Estruturas externas a parede celular Glicocálice ou Glicocálix -É um polímero viscoso e gelatinoso que reveste as células bacterianas externamente a parede. -Quando está aderido a parede celular = cápsula -Quando não aderido a parede celular = camada mucosa ou limosa -Constituição: Polissacarídeos e/ou polipeptídeos -Sua produção depende de condições nutricionais e ambientais (temperatura, oxigênio, etc) -Esta presente na maioria das bactérias -Pode ser observada com coloração negativa: Espécie de Streptococcus mostrando a cápsula Cápsula de Rhizobium trifolii A Função do glicocálix depende da espécie bacteriana Protege as bactérias patogênicas da fagocitose Evita a adsorção e lise da célula bacteriana por bacteriófagos Protege a célula contra dessecamento temporário Promove aderência bacteriana: em rochas, raízes de plantas, dentes humanos Formação de biofilmes (camada de células, com massa capsular comum, que se aderem a superfícies) Determinar a virulência (grau que um patógeno causa doença). Bactérias Streptococcus pneumoniae só pode causar a doença se estiver encapsulada. Flagelos Estrutura externa a parede celular Filamentos finos, de forma helicoidal Função: locomoção Diâmetro: 12 a 20 nm (1 nm = 1/1.000 m) Seu comprimento pode ser até maior do que o da célula (15 a 20 m) Ausente nos cocos (bactérias atríquias) e presente nos bacilos e espirilos Funcionam por rotação (horário; anti-horário), semelhante ao movimento saca-rolhas, movendo a bactéria através do líquido (3.000 vezes o seu comprimento por minuto ). Em eucariotos: locomovem por movimentos ondulatórios. Constituintes do flagelo: Corpo basal, Gancho, Filamento helicoidal Os anéis do corpo basal permitem a rotação do flagelo Se estendem a partir da membrana citoplasmática e atravessam a parede celular Filamento - composto por proteínas chamadas flagelinas Anel L (LPS) Anel P (peptidioglicano) Anel S (superfície) Anel M (mebrana) Gram negativa – 4 Gram positiva – 3 (sem o L) Os flagelos estão em diferentes números e arranjos Tipos de flagelos polares: Monotríquio: flagelo único localizado em um dos pólos da célula Lofotríquios: Dois ou mais flagelos em um ou ambos os pólos da célula Anfitríquios: um único flagelo em ambos os pólos da célula Peritríquios: distribuição ao acaso dos flagelos em toda a superfície da célula TAXIA Correm: flagelos giram em sentido a um estímulo, formando uma única estrutura em forma de corda. -Quimiotaxia :Movimento coordenado pela presença de substâncias químicas. - aerotaxia: nadam para regiões que contém concentrações favoráveis de oxigênio dissolvido. - fototaxia: bactérias fotossintéticas nadam para regiões com intensidade de luz favoráveis. Espiroquetas – ou filamento axial origina nos polos da células e gira em torno do corpo celular – responsáveis pelo movimento saca-rolhas Estrutura similar ao flagelo (endoflagelos) Filamentos axiais Treponema pallidum: filamentos axiais ou endoflagelos São feixes de fibrilas que se originam na extremidade da célula, sob uma bainha externa e fazem uma espiral em torno da mesma Pili e/ou Fímbria Estrutura externa a parede celular São apêndices retos e finos medindo de 3 a 10 nm de diâmetro (curtos) Só podem ser observados ao microscópio eletrônico São constituídos de uma proteína chamada pilina São mais numerosos que os flagelos Não estão relacionados a motilidade A maioria têm função de adesão da célula bacteriana à outras células ou superfícies (infecção) Fimbrias de Escherichia coli A fímbria help de E. coli fixa a célula ao intestino prevenindo expulsão da célula bacteriana Fímbrias de Salmonella typhi em divisão O pilus F (pilus sexual) está envolvido na reprodução sexual da bactéria Escherichia coli. A célula doadora, portadora de plasmídeo F, sintetiza o pilus F ou sexual. Esta estrutura mantém a célula doadora unida à célula receptora durante a conjugação Conjugação: processo de transferência de material genético entre células. Diferentes tipos de pili estão associados com funções distintas. Parede celular Função: -Proteção contra lise celular (devido entrada e saída de água) parede resistente -Proporciona a forma da bactéria Constituição química: Principal constituinte: Peptideoglicano que são polímeros de dissacarídeos de N-acetilglicosamina (NAG) e ácido acetilmurâmico (NAM) Parede celular Adjacente a cadeia de dissacarídeos, há polipeptídeos (parte peptídica). Esses são tetrapeptídeos de aminoácidos na forma estereoisômera destrógira (d) e levógira (L). No restante dos organismos há apenas L. -Entre essa cadeia de peptídeo pode ocorreroutras cadeias de aa que fazem uma interligação (entre cadeias) chamadas de pontes cruzadas peptídicas (ação das penicilinas). -Existem diferenças entre bactérias gram positivas e negativas. -As gram positivas: possuem ácidos teicóicos na camada de peptídeoglicana que é bem espessa! Peptideoglicano: principal componente da parede celular das bactérias Peptideoglicano (mureína): polímero poroso e insolúvel de grande resistência, encontrado somente em procariotos • parte proteína (peptido-) • parte polissacarídeo (-glicano) Parte polissacarídea: cadeias longas de N-acetilglicosamina (NAG) e ácido N-acetilmurâmico (NAM) Parte proteína: tetrapeptídeo (4 aa) Ácidos teicóicos e peptideoglicanos em B. subtilis Johnson, K. J., 2006 -Os ácidos teicóicos de parede e os lipoteicóicos são importantes na troca iônica de cátions (íons positivos) devido sua carga negativa do grupo fosfato e também são considerados como antígenos. Parede celular de bactéria Gram positiva Ácido teicóico Peptideoglicano Ácido lipoteicóicos Parede celular Membrana citoplasmática Ácido teicóico: unidades de glicerol ou ribitol ligadas a grupos fosfatos – integridade estrutural Parede celular de bactéria Gram negativa lipoproteína peptidoglicano Espaço periplasmático Membrana externa porina lipopolissacarídeo Membrana citoplasmática Membrana externa das bactérias Gram negativas Bicamada- face interna composta por fosfolipídeos; face externa composta por lipopolissacarídeos (LPS), e pequena quantidade de fosfolipídeos. LPS - encontrado apenas na membrana externa de bactérias gram-negativas LPS: porção hidrofóbica e hidrofílica – propriedade única: barreira para moléculas polares a apolares – passam apenas água e alguns gases. Também conhecido como endotoxina – toxicidade – lipídeo A Polissacarídeo O - antígeno Outras moléculas: Passam pelos poros – proteínas chamadas PORINAS Lipoproteínas: ancoram a membrana externa ao resto do envelope. Ligadas à parede celular Gram- negativas: geralmente mais resistentes a substâncias tóxicas do ambiente, incluindo antibióticos – não conseguem atravessar a membrana externa. Periplasma Antigamente denominado espaço periplasmático Não é um espaço vazio - preenchido por material gelatinoso - dois tipos de proteínas: Enzima que decompõe nutrientes para que possam atravessar a membrana citoplasmática Proteínas de ligação: se ligam a determinados nutrientes, facilitando sua passagem entre as membranas. Diferenças entre bacterias Gram positivas e Gram negativas Características Gram Positiva Gram Negativa % peptideoglicano na parede celular 50% do PS 10 % do PS Membrana externa Ausente presente Espaço periplasmático Ausente presente Lipopolissacrideos (LPSs) Ausente presente PS= peso seco Envelope – parede celular Pode ter até três camadas: de fora pra dentro – membrana externa parede celular de peptídeo glicano membrana plasmática Gram positiva, Gram negativa e micoplasmas: diferem no número de camadas. - Gram negativas: têm as três camadas - Gram positivas: não têm a membrana externa - Micoplasmas: não têm a membrana externa nem a parede celular As arqueobactérias possuem parede celular, contudo sua constituição não é de peptídeoglicano e sim de pseudomureína. PAREDE CELULAR Presente em todas as bactérias, exceto micoplasmas; Explica a resposta das bactérias à coloração de Gram Microbiologista dinamarquês: Hans Christian Gram • Camada espessa: cor púrpura ou azul quando fixadas com violeta cristal (Gram +) • Camada de lipídeos no exterior e fina camada de peptideoglicanos: cor vermelha (Gram -) Cristal violeta: corante principal – cora ambas células de púrpura, pois o corante entra no citoplasma. Iodo: forma grandes cristais do corante que são muito grandes para escapar pela parede celular Álcool: desidrata a peptideoglicana das células Gram (+) para torná-lo mais impermeável ao cristal violeta-iodo. Nas Gram (-) o álcool dissolve a membrana externa das células deixando também pequenos buracos na fina camada de peptideoglicana pelos quais o cristal violeta-iodo se espalha. Como as bactérias Gram (-) ficam incolores após lavagem com álcool, a adição de safranina torna as células cor vermelhas. Paredes celulares atípicas • As micobactérias possuem uma fina camada de cera de natureza lipídica (cera D) na membrana plasmática – não possuem parede celular. Dano à parede celular Substâncias químicas lesam a parede bacteriana e não a do hospedeiro. Síntese da parede celular é alvo de algumas drogas antimicrobianas. Lisozima leva formação de protoplastos: ativa sobre a parede celular da maioria de Gram (+). catalisa a hidrólise das ligações entre açúcares do dissacarídeo repetitivo do esqueleto de peptideoglicana Gram (-): não destrói totalmente a parede, parte da membrana externa permanece. Estruturas internas a parede celular Estrutura e composição química da Membrana Citoplasmática Localizada abaixo da parede celular Tem 7,5 nm de espessura Composta de fosfolipídeos (20 a 30%) e proteínas (50 a 70%) Os fosfolipídeos formam uma bicamada na qual a maioria das proteínas estão embebidas Cada molécula de fosfolipídeo contém uma cabeça polar (solúvel em água) e uma cauda apolar (insolúveis em água) A membrana é fluida, permitindo movimentação das proteínas Não contém esteróis (ex.colesterol). Modelo mosaico fluido Funções da membrana citoplasmática Contém a base do flagelo Responsável pela liberação de resíduos (lixo) Envolvida na formação de endosporos Envolvida na replicação e separação do DNA durante divisão bacteriana Sítio de síntese de peptidoglicano, fosfolípideo e algumas proteínas Funções da membrana citoplasmática É local de importantes sistemas enzimáticos: Envolvidos nos últimos estágios da formação da parede celular Participantes da biossíntese de lipídeos Responsáveis pelo transporte de elétrons (fotossíntese) Envolvidas no processo de fosforilação oxidativa Mesossomo Permeabilidade seletiva (Principal função) É permeável aos íons sódio e aos aminoácidos Atua como barreira osmótica (a substâncias ionizadas e grandes moléculas) Mecanismos envolvidos no transporte através da membrana citoplasmática Transporte passivo (Difusão simples, Difusão facilitada e Osmose Transporte ativo DIFUSÃO SIMPLES - Moléculas se movem aleatoriamente - Distribuídas igualmente OSMOSE Movimento da água Atravessam membrana de baixa concentração de soluto para alta Alta concentração de soluto Hipotônico (meio) célula incha Baixa concentração de soluto hipertônico encolhe Concentração igual de soluto isotônico Difusão facilitada: sem necessidade de energia proteína transportadora (canais) concentração alta a baixa Transporte ativo energia necessária proteína transportadora concentração baixa a alta Existem 3 tipos de proteínas transportadoras Uniporte Antiporte Simporte Para o transporte da maioria das substâncias a célula necessita de transportadores ou proteínas específicas (carrier proteins) Uniporte: a proteínatransporta a substância através de um gradiente de concentração, não requerendo energia metabólica (passivo) Antiporte: a proteína transporta duas substâncias diferentes, simultaneamente, em direções opostas. Requer energia (Ativo) Simporte: a proteína transporta duas substâncias diferentes, simultaneamente, na mesma direção. Requer energia (Ativo) Nas bactérias ainda há o transporte conhecido como translocação em grupo (ativo): Glicose é fosforilada quando entra na membrana e assim ela não pode mais voltar devido sua nova constituição! Citoplasma Material que se encontra dentro da membrana plasmática 90% de água, porém ativo Área citoplasmática Nucleóide: DNA (ácido desoxirribonucléico), Plasmídeos Ribossomos Inclusões citoplasmáticas ÁREA CITOPLASMÁTICA Fluido denso Constituintes: 90 % água, proteínas, carboidratos, lipídeos, íons orgânicos, etc. É sítio de reações químicas, como a síntese de componentes celulares a partir de nutrientes Não há evidência de presença de citoesqueleto Nucleóide Massa irregular de DNA dentro do citoplasma; DNA dupla hélice; bem definido, embora não seja circundado por membrana; Carrega as informações genéticas da célula; Na maioria das bactérias: organizado em uma única molécula circular – cromossomo bacteriano; Pode conter pequenas moléculas circulares de DNA – plasmídeos; Cromossomo circular único Na Escherichia coli mede 1,4 mm e contêm 5,231,428 pb PLASMÍDEOS DNA extracromossômico de forma circular Replicam independentes do cromossomo Podem existir em cópia única ou multicópias Uma espécie bacteriana pode ter distintos plasmídeos Conferem vantagens adaptativas às bactérias Função de produção de adesinas, toxinas, pilinas, bacteriocinas Função social: produção de substância fundamentais para adaptação bacteriana a diferentes ambientes Plasmídeo bacteriano Ribossomos Partículas densas dispersas no citoplasma Local onde ocorre a síntese de proteínas São encontrados em procariotos e eucariotos Podem ser encontrados espalhados no citoplasma procariótico ou presos a superfície interna da membrana citoplasmática quando estão envolvidos na síntese de proteínas Em bactérias: • duas subunidades de tamanhos diferentes: cada uma contém uma proteína e RNA ribossômico • subunidade 50S e 30S > 70S (unidade de Svedberg – velocidade de sedimentação) • são alvos de muitos antibióticos que inibem a síntese de proteína Inclusões Inclusões - Diferentes tipos de substâncias químicas que podem se acumular e formar depósitos insolúveis no citoplasma - Podem ser uma reserva de energia - Grânulos Metacromáticos: inclusões grandes que se coram de vermelho com certos corantes azuis. São conhecidos como volutina – reserva de fosfato inorgânico que pode atuar na síntese de ATP; Crescem em ambientes ricos em fosfato; Encontrados em algas, fungos, protozoários e bactérias. Ex: Corynebacterium diphtheriae Grânulos polissacarídicos: compostas de glicogênio e amido Demonstrado quando o iodo é aplicado à célula Grânulos de glicogênio: marrom-avermelhado Grânulos de amido: azuis Inclusões lipídicas: Mycobacterium, Bacillus, Azobacter, Spirillum Aparecem quando corados com corantes solúveis em gordura Grânulos de enxofre: Thiobacillus, obtêm energia oxidando o enxofre e compostos de enxofre Carboxissomos: contêm a enzima ribulose 1,5-difosfato carboxilase. Bactérias que utilizam CO2 como única fonte de carbono necessitam dessa enzima para fixação do mesmo durante a fotossíntese Ex: bactérias nitrificantes, cianobactérias e tiobacilos. Vacúolo de gás: cavidades ocas encontradas em procariotos aquáticos. Mantém a flutuação. Inclusões citoplasmáticas Thiothrix sp.: grânulos de enxofre Isochromatium buderi grânulos de enxofre Magnetossomos: Algumas bactérias aquáticas móveis são capazes de se orientar em resposta a campos magnéticos da terra por possuírem magnetossomos (vesículas contendo cristais de magnetite ou outras substâncias contendo ferro) Magnetospirillum gryphiswaldense Inclusões citoplasmáticas FORMAS LATENTES DOS MICRORGANISMOS PROCARIÓTICOS As formas latentes são denominadas esporos São metabolicamente inativas Podem sobreviver em condições desfavoráveis Após germinação tornam-se células metabolicamente ativas ESPOROS Parede celular espessa Refráteis (brilham com a luz do microscópio) Contêm grande quantidade de ácido dipicolínico Resistentes as alterações ambientais Denominados endósporos quando formados dentro da célula. Exclusivos de bactérias -a célula mãe do esporo é denominada esporângio Esporos (endósporos) Localização dos endósporos depende da espécie: Esporos (endósporos) -Espécies de 5 genêros formam esporos: Bacillus (aeróbios) e Clostridium (anaeróbios). Principalmente em gram positivas. -Algumas são patógenos humanos: Bacillus anthracis, B. cereus, Clostridium tetani, C. botulinum -Algumas são patógenos de insetos: B. thuringiensis, B. sphaericus Esporos (endósporos) Permanecem viáveis por muito tempo: -Esporos com 7.500 anos de Thermoactinomyces sp do lodo congelado do lago Elk, Minnesota, germinaram em meio nutriente -Esporos com 25 milhões de anos, aprisionados em âmbar, germinaram em meio nutriente Cistos -Possui estrutura e composição química diferente dos endósporos -Possuem parede espessa e resistência ao calor -Comum no genêro Azotobacter, que vive no solo e pode fixar N2
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