Aula 2 - Fisiologia e metabolismo microbiano

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FISIOLOGIA E METABOLISMO 
MICROBIANO 
Prof. Dr. Hélio 
Fisiologia microbiana: 
 
 
 nutrição e crescimento 
 Nutrição microbiana 
– Componentes necessários às células 
– Meios de cultura 
– Condições ambientais 
 
 Crescimento populacional 
– Velocidade de crescimento 
– Tempo de geração 
– Medidas do crescimento 
Nutrientes Necessárias 
Fontes de Energia - Orgânicos 
- Inorgânicos 
- Luz 
Fontes de Carbono - Orgânicos (Heterotróficos): Açúcares, Proteínas 
- Inorgânicos (Autotróficos): CO2 
Fontes de N - Orgânicos: NH4+ 
- Inorgânicos: N2 (fixadoras de nitrogênio), NO2-, 
NO3- 
Fontes de P e S - HP042- 
- SO42- 
Fontes de outros Elementos - Na+, K+, Mg++, Fe+++ 
- traços de Zn++, Mn++, Co++, Mo+++, Se++ 
Fatores de Crescimento - Vitaminas 
- Aminoácidos 
- Fatores presentes no SANGUE 
pH - Acidófilos 
- Neutrófilos (pH 5-9) 
- Alcalófilos 
Osmolaridade ~ solução fisiológica (09% NaCl) 
De todos os organismos vivos, os microrganismos são os mais 
versáteis e diversificados em suas exigências nutricionais. 
 
Alguns são tão exigentes quanto o homem e outros animais. 
 
Todos os organismos vivos compartilham algumas necessidades 
nutricionais em comum: 
NUTRIÇÃO MICROBIANA 
 - carbono 
 - nitrogênio 
 - água 
 Para caracterizar suas propriedades (morfológicas, 
fisiológicas e bioquímicas) é necessário o cultivo em 
laboratório. 
 
 Cultivo in vitro: quando se conhece as exigências 
nutricionais. 
 
 Cultivo in vivo: quando exigências nutricionais 
específicas são desconhecidas. 
NUTRIÇÃO MICROBIANA 
Para o cultivo in vitro são utilizados meios de cultura que 
simulam e até melhoram as condições naturais. 
Os elementos químicos principais para o crescimento das 
células incluem C, N, H, O, S e P [MACRONUTRIENTES]. 
O C é um dos elementos mais importantes para o 
crescimento microbiano – todos requerem C. 
•Os compostos orgânicos são os que contém C. 
• Exceção para o CO2 que é considerado como inorgânico. 
NUTRIÇÃO MICROBIANA 
MACROnutrientes: necessários em grande quantidade. Tem papel 
importante na estrutura e metabolismo. 
MICROnutrientes: quantidades mínimas. Funções enzimáticas e 
estruturais das biomoléculas. 
Uma célula típica 
Matéria seca
Água
C
N
H
P, S, K, Na ...
NUTRIÇÃO MICROBIANA 
 Nitrogênio 
 
- É elemento mais abundante depois do C, cerca de 12% 
 (constituinte das proteínas, ácidos nucléicos, etc.) 
Componentes necessários às 
células 
► Moléculas orgânicas (aminoácidos, proteínas, etc.) 
► Moléculas inorgânicas (NH3, NO3
-, N2) 
Hidrogênio 
 
- Principal elemento dos compostos orgânicos e de diversos inorgânicos (água, 
sais e gases). 
Oxigênio 
 - Elemento comum encontrado nas moléculas biológicas (aminoácidos, 
nucleotídeos, glicerídeos ...) 
 - É obtido a partir das proteínas e gorduras. 
Componentes necessários às 
células 
- Manutenção do pH 
- Formação de ligações de H entre moléculas 
- Serve como uma fonte de energia nas reações de oxi-redução da 
respiração 
- Na forma de oxigênio molecular (O2), é requerido por muitos para os 
processos de geração de energia. 
P – Síntese de ácidos nucléicos, ATP; 
S – Estabilidade de aminoácidos, componente de vitaminas; 
K – Atividade de enzimas; 
Mg – Estabilidade dos ribossomos; 
Ca – Estabilidade da parede celular e termoestabilidade de 
 endósporos; 
Na – Estabilizante osmótico; 
Fe – Papel-chave na respiração, componente dos citocromos e das 
 proteínas envolvidas no transporte de elétrons. 
Componentes necessários às 
células 
• Traços dos seguintes METAIS são necessários na 
composição de um meio de cultura: 
 
 Zn, Cu, Mn, Co, Mo e B 
► Exercem função estrutural em várias enzimas 
Requisitos nutricionais - 
Micronutrientes 
- Nem sempre sua adição é necessária 
- Meios sintéticos com compostos de alto grau de pureza e água ultra 
pura podem apresentar deficiências desses elementos. 
•Água 
- Componente absolutamente indispensável 
 
► Laboratório: destilada, filtrada, deionizada 
 
Outros aditivos 
 Funções: aumentar a conversão, evitar precipitação de íons, controlar a 
espuma, provocar inibição, estabilizar o pH. 
 
►Quelantes: na autoclavagem ocorre a precipitação dos fosfatos metálicos 
 Ex.: EDTA, ácido cítrico, polifosfatos 
Água e outros aditivos 
Meios de Cultura: Conjunto de substâncias formuladas de maneira 
adequada capaz de promover crescimento bacteriano em condições de 
laboratório. 
 
Não existe um meio de cultura universal, mas existem vários tipos 
meios para diversas finalidades 
 
Para obter sucesso no cultivo de microrganismos é necessário o 
conhecimento de suas exigências nutricionais, para que os nutrientes 
sejam fornecidos de forma e proporção adequada. 
MEIOS DE CULTURA 
 
Condições ambientais 
Radiação eletromagnética Pressão atmosférica 
hidrostática e osmótica 
Temperatura 
Oxigênio 
pH 
Condições ambientais 
Thermus 
aquaticus 
Min. 40oC 
òtima:70-72oC 
Máxima: 79 oC 
Temperatura 
 Psicrófilos 
 Mesófilos 
 Termófilos 
Efeito da temperatura no crescimento microbiano 
Presença de Oxigênio 
(atmosfera) 
- Aeróbios Obrigatórios 
 
- Facultativos 
 
- Anaeróbios 
(Facultativos Estritos) 
 
A) 2 02 + 2 H2 H202 
 
B) H202 H20 + 02 
 
Superóxido dismutase 
catalase 
The action of superoxide dismutase, catalase and peroxidase. 
These enzymes detoxify oxygen radicals that are inevitably 
generated by living systems in the presence of O2. The 
distribution of these enzymes in cells determines their ability 
to exist in the presence of O2 
Presença de Oxigênio (atmosfera) 
Efeito do oxigênio no crescimento microbiano 
Durante as reações de redução do O2 são formados vários intermediários tóxicos. 
Ex: H2O2, OH-, O2- 
Os microrganismos aeróbios e facultativos utilizam enzimas como a catalase para 
destruir as formas tóxicas. 
Presença de Oxigênio 
(atmosfera) 
Presença de Oxigênio 
(atmosfera) 
Aeróbios Obrigatórios 
Ex. Pseudomonas spp. 
Facultativos 
Ex. Escherichia coli 
 Anaeróbios Obrigatórios 
Ex. Clostridium tetani 
1 
 
Agar tioglicolato 
3 
1 
2 
3 2 
Sistema para cultivo de 
anaeróbios 
Sistema para 
cultivo de aeróbios 
Growth rate vs pH for three environmental classes of procaryotes. Most free-living 
bacteria grow over a pH range of about three units. Note the symmetry of the curves 
below and above the optimum pH for growth. 
pH 
 
Organismo 
pH mínimo pH ótimo pH máximo 
Thiobacillus thiooxidans 0.5 2.0-2.8 4.0-6.0 
Sulfolobus acidocaldarius 1.0 2.0-3.0 5.0 
Bacillus acidocaldarius 2.0 4.0 6.0 
Zymomonas lindneri 3.5 5.5-6.0 7.5 
Lactobacillus acidophilus 4.0-4.6 5.8-6.6 6.8 
Staphylococcus aureus 4.2 7.0-7.5 9.3 
Escherichia coli 4.4 6.0-7.0 9.0 
Clostridium sporogenes 5.0-5.8 6.0-7.6 8.5-9.0 
Erwinia caratovora 5.6 7.1 9.3 
Pseudomonas aeruginosa 5.6 6.6-7.0 8.0 
Thiobacillus novellus 5.7 7.0 9.0 
Streptococcus pneumoniae 6.5 7.8 8.3 
Nitrobacter sp 6.6 7.6-8.6 10.0 
pH Mínimo, Ótimo e Máximo para o crescimento de alguns procariotos 
Fisiologia Microbiana 
- Por que é importante estudar o crescimento das microbiano? 
- Isolar os agentes causais das doenças infecciosas 
 
- Identificação dos agentes causais das doenças infecciosas 
 
- Desenvolvimento de agentes antimicrobianos 
 
- Preservaçãodos alimentos 
 
- Estudo: Bioquímica, Genética, Biotecnologia 
 Crescimento 
Em microbiologia crescimento geralmente é o aumento do número de células 
Na maioria dos procariotos ocorre a fissão binária: crescimento e divisão 
 
Varia de minutos até dias 
Depende muito das condições ambientais 
 
- Escherichia Coli - 20 minutos 
- Pisolithus microcarpus – 2,5 dias 
 
CRESCIMENTO MICROBIANO 
 
O padrão de crescimento é o exponencial 
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
0 50 100 150 200 250 300
minutos
cé
lu
la
s
Curva de Crescimento 
A 
D B 
C 
Fases da Curva de Crescimento de bactérias: 
 - Fase Lag - Fase Estacionária 
 - Fase Exponencial ou Logaritmica (Log) - Fase de Declínio 
 
A C 
B D 
X= xo.2n 
O ciclo de crescimento 
A fase exponencial reflete apenas uma parte do ciclo de crescimento 
de uma população microbiana 
O crescimento de microrganismos em um recipiente fechado (batelada) 
apresenta um ciclo típico com todas as fases de crescimento. 
1)Fase Lag 
 Período de adaptação da cultura 
 Mudança de meio, preparação do complexo enzimático 
 Reparação das células com danos. 
 
2) Fase exponencial 
 Fase mais saudável das células onde todas estão se dividindo. 
 A maioria dos microrganismos unicelulares apresentam essa fase, 
mas as velocidades de crescimento são bastante variáveis: 
 - Procarióticos – crescem mais rapidamente que os eucarióticos 
 -Eucarióticos menores crescem mais rapidamente que os 
maiores 
 
3) Fase estacionária: 
 Num sistema fechado (tubo, frasco ou biorreator) o crescimento 
exponencial não pode ocorrer indefinidamente. 
 Ocorre a limitação por depleção de nutrientes e acúmulo de 
metabólitos. 
 Divisão = morte 
• Ainda pode ocorrer: metabolismo energético e produção de 
metabólitos secundários 
 
4) Fase de morte (declínio): 
 
 A manutenção de uma cultura no estado estacionário por longo 
tempo conduz as células ao processo de morte. 
 
 - A morte celular é acompanhada da lise celular 
 Podem ser realizadas pelos seguintes métodos: 
 
 1) Peso seco total das próprias células – filtração, secagem 
e pesagem 
 2) Peso de algum componente celular – extração, secagem 
e pesagem 
 
 3) Variação no número de células 
 a) contagem de células totais 
 b) contagem de células viáveis 
MEDIDAS DO CRESCIMENTO MICROBIANO 
Processos bioquímicos na 
produção de energia 
Metabolismo de Microrganismos 
Metabolismo  Toda atividade química realizada pelos 
microrganismos. 
 
Dois tipos de Atividade 
 
-Liberação de energia; 
- Utilização de energia. 
Metabolismo Microbiano 
1. Biossíntese das partes estruturais da célula; 
2. Síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, 
fosfolipídeos e outros componentes químicos da célula; 
3. Reparo de danos e manutenção da célula em boas 
condições; 
4. Crescimento e multiplicação; 
5. Armazenamento de nutrientes e excreção de produtos; 
6. Mobilidade; 
Energia requerida pela célula microbiana 
Catabolismo 
e 
 Anabolismo: 
Microrganismos 
Principais fontes energéticas 
Quimiotróficos  obtêm energia por degradação de 
nutrientes ou substratos químicos; 
Quimioheterotróficos  degradam compostos orgânicos 
para obter energia; 
Quimioautotróficos  degradam compostos inorgânicos 
para obter energia; 
 Fototróficos  utilizam a luz como fonte de energia. 
ENERGIA DA CÉLULA 
 Obtida através da quebra de moléculas orgânicas. 
 
 Armazenada na forma de ATP. 
 
 Utilizada na síntese de moléculas ou outras funções celulares. 
TIPOS DE RESPIRAÇÃO 
ANAERÓBIA 
AERÓBIA 
RESPIRAÇÃO ANAERÓBIA 
 Também chamada de fermentação (quebra parcial da 
glicose na ausência de O2) 
 
 Ocorre, por exemplo, em organismos unicelulares. 
1.Fermentação láctica 
2.Fermentação alcoólica 
 Ex:Vinho, cerveja, aguardente 
3.Fermentação acética 
 Ex:Vinagre 
RESPIRAÇÃO 
Ciclo de Krebs 
CTE e 
quimiosmose 
NADH 
Glicolise 
Fermentação 
Processos bioquímicos na 
utilização de energia 
 Formação dos constituintes químicos complexos de uma 
célula. 
 
 
Processos biossintéticos 
• BIOSSÍNTESE DE COMPOSTOS NITROGENADOS 
– Aminoácidos e proteínas 
– Nucleotídeos e ácidos nucléicos 
 
 
 
• BIOSSÍNTESE DE LIPÍDEOS 
– Ácidos graxos de cadeia longa 
– Fosfolipídeos 
 
 
 
• BIOSSÍNTESE DE CARBOIDRATOS 
– Peptideoglicano de parede celular 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Cultura não é ler muito, nem saber muito; é conhecer muito.