Fisiologia e Metabolismo Bacteriano

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Fisiologia e Metabolismo Bacteriano
Para se desenvolver, um microrganismo necessita de todos os elementos que compõem sua matéria
orgânica e fonte de energia disponível para permitir a síntese de macromoléculas.
Microrganismos possuem capacidade de realizar reações químicas e de organizar as moléculas em
macromoléculas específicas. Os precursores dessas macromoléculas podem ser retirados do meio ambiente
ou ser sintetizados pelas bactérias a partir de compostos ainda mais simples, através de reações químicas.
Bactérias heterótrofas são aquelas que utilizam compostos orgânicos diversos como fonte de carbono e
energia necessária para o seu crescimento, devendo esse carbono estar numa forma passível de ser
assimilada. Essas bactérias podem ser cultivadas em laboratório. Algumas bactérias são autótrofas, ou seja,
capazes de sintetizar moléculas orgânicas a partir do dióxido de carbono (CO2), obtendo sua energia a
partir da luz, através da fotossíntese; quimiolitótrofa, quando utilizam compostos inorgânicos como
redutor e CO2 como fonte de carbono.
Nutrição Bacteriana
A célula necessita de nutrientes para o seu desenvolvimento, utilizados para construir novos componentes
celulares ou para obter energia. Quando supridas com os nutrientes necessários, as bactérias são capazes de
sintetizar todas as unidades formadoras de macromoléculas. Diferentes espécies bacterianas requerem
nutrientes distintos, sendo geralmente necessários sob uma ou outra forma específica. Nem todos os
nutrientes são necessários nas mesmas quantidades, embora todos sejam imprescindíveis; alguns
denominados macronutrientes são necessários em quantidades maiores por serem os principais
constituintes dos compostos orgânicos celulares, enquanto outros, os micronutrientes, são requeridos em
menores quantidades.
Macronutrientes
As bactérias necessitam de fatores de crescimento, ou seja, compostos orgânicos que a célula utiliza para o
seu crescimento (reprodução), mas que é incapaz de sintetizar quando as bactérias são supridas.
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As bactérias podem assimilar vários compostos orgânicos de carbono, sendo este um macronutriente
essencial, uma vez que se encontra presente na maioria das substâncias que compõem as células.
Aminoácidos, ácidos graxos, ácidos orgânicos, açúcares, bases nitrogenadas e outros compostos orgânicos
por ser utilizados pelas bactérias como fonte de carbono. Após o carbono, o elemento mais abundante na
célula corresponde ao nitrogênio, um importante componente de proteínas, ácidos nucléicos e outros
compostos celulares. O nitrogênio pode ser fornecido sob as formas orgânica ou inorgânica. No entanto, a
maior fonte de nitrogênio encontra-se na forma de nitrogênio gasoso (N2) ou na forma de compostos
inorgânicos combinados, como amônia (NH3), nitrato (NO3-) e nitrito (NO2-). A maioria das bactérias é
capaz de utilizar a amônia como única fonte de nitrogê-nio, enquanto outras podem utilizar também o
nitrato. Por outro lado, o nitrogênio gasoso pode ser utilizado apenas por algumas bactérias, denominadas
bactérias fixadoras de nitrogênio. O fósforo é encontrado na natureza na forma de fosfato orgânico ou
inorgânico e também é um macronutriente essencial para a síntese de ácidos nucléicos, fosfolipídios e
componentes da parede celular (ácido teicóico). Algumas espécies bacterianas podem armazenar grânulos
de fosfato inorgânico, chamados grânulos metacromáticos ou de volutina. A exemplo do nitrogênio, o
enxofre é necessário devido ao seu papel estrutural nos aminoácidos (cisteína e metionina) e também por
estar presente em diversas vitaminas e em proteínas importantes para o processo de respiração celular.
O oxigênio é requerido na forma molecular como aceptor final da cadeia de transporte de elétrons aeróbica.
E o hidrogênio, um componente muito freqüente da matéria orgânica e inorgânica, também constitui
elemento comum de todo material celular.
Micronutrientes
Necessários em pequena quantidade, mas extremamente importantes para o funcionamento celular.
Correspondem a minerais e muitos deles desempenham papel estrutural em várias enzimas.
Alguns são requeridos em uma quantidade relativamente alta, quando comparados a outros, dentre estes,
potássio, magnésio, fósforo e ferro. As bactérias requerem fontes de potássio, pois este está envolvido na
atividade de uma variedade de enzimas. O magnésio tem um importante papel na estabilização de
ribossomos, membranas celulares e ácidos nucléicos, também sendo necessário à atividade de muitas
enzimas. O cálcio que auxilia na estabilização da parede celular e termoestabilidade dos endósporos. O
sódio é necessário a alguns microrganismos cujo ambiente natural é rico em sais. O ferro é um elemento de
extrema importância para a respiração celular, além de ser componente de proteínas enzimáticas.
Outros micronutrientes (cobalto, níquel, molibdênio, selênio, zinco, dentre outros) são necessários em
quantidades muito pequenas.
Influência dos Fatores Ambientais
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O metabolismo bacteriano é influenciado por fatores físicos e químicos do meio ambiente. Para ser
apropriado o meio de crescimento de uma bactéria deve conter, além dos nutrientes essenciais ao
desenvolvimento bacteriano, condições físicas ideais, como pH, temperatura e aeração.
Temperatura
A faixa de temperatura ótima de crescimento para cada espécie de bactéria varia amplamente. Em torno
desta temperatura ótima, observa-se um intervalo dentro qual o crescimento também ocorre, sem, no
entanto, atingir o seu máximo.
Quando o limite superior de temperatura ótima é ultrapassado, rapidamente ocorre desnaturação do
material celular e morte bacteriana. As temperaturas inferiores à ótima levam a uma diminuição das
reações metabólicas, com conseqüente diminuição na reprodução bacteriana.
Por esta razão, utilizam-se baixas temperaturas para a preservação de culturas bacterianas.
Quanto ao requerimento térmico, as bactérias apresentam variações, podendo ser divididas em três grupos
principais, segundo a temperatura ótima para seu crescimento: psicrófilas (bactérias que se desenvolvem
melhor em temperaturas baixas, em torno de 10ºC), mesófilas (bactérias que se desenvolvem desde uma
temperatura ambiental até a temperatura do organismo humano, entre 26ºC e 37ºC) e termófilas (bactérias
que vivem em temperaturas elevadas, em torno de 60ºC a 80ºC). A maioria das bactérias são mesofílicas,
sendo a temperatura ambiental favorável para o desenvolvimento de formas livres e a temperatura do
organismo humano ideal para o desenvolvimento de bactérias patogênicas.
Temperatura
A faixa de temperatura ótima de crescimento para cada espécie de bactéria varia amplamente. Em torno
desta temperatura ótima, observa-se um intervalo dentro qual o crescimento também ocorre, sem, no
entanto, atingir o seu máximo.
Quando o limite superior de temperatura ótima é ultrapassado, rapidamente ocorre desnaturação do
material celular e morte bacteriana. As temperaturas inferiores à ótima levam a uma diminuição das
reações metabólicas, com conseqüente diminuição na reprodução bacteriana.
Por esta razão, utilizam-se baixas temperaturas para a preservação de culturas bacterianas.
Quanto ao requerimento térmico, as bactérias apresentam variações, podendo ser divididas em três grupos
principais, segundo a temperatura ótima para seu crescimento: psicrófilas (bactérias que se desenvolvem
melhor em temperaturas baixas, em torno de 10ºC), mesófilas (bactérias que se desenvolvem desde uma
temperatura ambiental até a temperatura do organismo humano,entre 26ºC e 37ºC) e termófilas (bactérias
que vivem em temperaturas elevadas, em torno de 60ºC a 80ºC). A maioria das bactérias são mesofílicas,
sendo a temperatura ambiental favorável para o desenvolvimento de formas livres e a temperatura do
organismo humano ideal para o desenvolvimento de bactérias patogênicas.
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pH
Os valores de pH mais adequados para o desenvolvimento bacteriano são aqueles em torno da neutralidade.
A maioria dos microrganismos crescem mais adequadamente em pH de 6,0 a 8,0, sendo conhecidas por
neutrófilas. Existem, entretanto, grupos adaptados para sobreviver em ambientes ácidos e alcalinos. As
bactérias que se desenvolvem em pH ácido (em torno de 3,0) são conhecidas como acidófilas e são capazes
de regular seu pH interno dentro de uma ampla faixa de valores do pH externo e outras (alcalófilos)
possuem um pH ótimo em torno de 10.
Oxigênio
O oxigênio pode ser indispensável, letal ou inócuo para as bactérias, o que permite classificá-las em:
aeróbicas estritas (exigem a presença de oxigênio como aceptor final de elétrons para sobreviver),
microaeróbilas (necessitam de baixos teores de oxigênio), aerotolerantes (suportam a presença do oxigênio,
embora não o utilizem), anaeróbicas facultativas (utilizam oxigênio quando disponível, mas também se
desenvolvem em sua ausência, tendo a capacidade de viver de forma aeróbica ou anaeróbica) e anaeróbicas
estritas (não toleram oxigênio e exigem uma substância diferente do oxigênio como aceptor de hidrogênio).
Pressão Osmótica
Refere-se à concentração de sais em um meio. Para a maioria dos microrganismos as propriedades dos
meios comuns são satisfatórias, entretanto, quando se deseja cultivar bactérias provenientes de ambientes
com altas concentrações salinas, conhecidas como halófitas (halofílicas) deve-se elevar a concentração de
sais em um meio de cultivo.
Metabolismo Bacteriano
Uma vez atendidas todas as necessidades nutricionais e condições físicas para o desenvolvimento
bacteriano, as bactérias utilizarão os nutrientes como fonte de energia e síntese de estruturas celulares.
O conjunto de reações químicas realizadas pelos microrganismos para obtenção, armazenamento e
utilização de energia é denominado metabolismo. As reações metabólicas envolvem tanto a liberação de
energia, denominadas reações catabólicas, como consumo de energia, denominadas reações anabólicas.
Todos os tipos de células, incluindo as bactérias, são constituídos de cerca de 70% de água, indicando que
as reações meatabólicas ocorrem em meio aquoso.
Substâncias com alto valor energético são aquelas com elevado grau de redução, e grande parte das
bactérias vai obter toda energia de que necessita por oxidação desses substratos. A energia produzida é
utilizada para transporte de nutrientes, movimento de flagelos e biossíntese de moléculas celulares.
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Respiração Aeróbica
O carboidrato mais abundante na natureza é a glicose, uma vez que faz parte de vários dissacarídeos e
polissacarídeos. A maioria das células é capaz de oxidar completamente a molécula de glicose a CO2 e H2O,
armazenando a energia liberada em moléculas de ATP. O oxigênio gasoso (O2) é freqüentemente empregado
como oxidante. O evento que leva à oxidação total da glicose ocorre em três etapas: glicólise (quebra
gradativa de glicose em piruvato na ausência total de oxigênio), conversão de piruvato a acetil-CoA e
oxidação de actil-CoA pelo ciclo de Krebs (fases aeróbicas onde o oxigênio é utilizado como aceptor final do
hidrogênio após uma longa série de reações moleculares controladas por enzimas específicas).
Em situações em que os carboidratos não estão disponíveis, as bactérias podem utilizar proteínas, peptídios
e aminoácidos como fonte de energia, ou ainda converter proteínas e peptídios em aminoácidos que podem
ser utilizados diretamente pela célula como unidades para a síntese de suas proteínas.
Assim, a degradação de lipídios se restringe a certas bactérias como o Staphylococcus presentes na pele
humana, capazes de secretar lípases e hidrolisar lipídios liberando ácidos graxos que podem ser assimilados
e incorporados aos lipídios bacterianos ou ser oxidados até acetil-CoA, sofrendo posterior oxidação no ciclo
de Krebs.
Fermentação
Em outras situações, bactérias podem utilizar lipídios, que apesar de altamente energéticos são pouco
utilizados devido ao seu caráter hidrofóbico que os torna pouco disponíveis em meio aquoso.
Muitas bactérias anaeróbicas sobrevivem apenas em baixas concentrações ou ausência total de oxigênio,
realizando processo de respiração anaeróbica ou fermentação, para obtenção de energia. Tais
microrganismos realizam a oxidação do substrato acompanhada da redução de coenzimas.
A falta de aceptor final de hidrogênio impede a completa oxidação do substrato inicial e os produtos finais
da fermentação são moléculas orgânicas específicas à espécie bacteriana que são excretadas para o meio.
A produção de ATP não está acoplada à transferência de elétrons e fica restrita às reações de fosforilação ao
nível do substrato, garantindo um rendimento energético menor do que o obtido pela respiração aeróbica.
COMPLEMENTAR (https://ead.uninove.br/ead/disciplinas/impressos/_g/mibio40/a06tc01_mibio40.pdf)
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O que é fermentação? 
Extraído de Tortora, G.J. Microbiologia. 8ª ed., Porto Alegre: Artmed, 2002, pág. 132. 
 
Para muitas pessoas, fementação simplesmente significa a produção de álcool: grãos e frutas são
fermentados para produzir cerveja e vinho. Se uma comida azeda, dizemos que ela "deteriorou" ou
fermentou. Aqui estão algumas definições para fermentação. Elas variam do informal uso geral às
definições mais científicas: 
 
Qualquer deterioração de alimento por microrganismo (uso geral);
Qualquer processo que produza bebidas alcoólicas ou laticínios acídicos (uso geral);
Qualquer processo microbiológico em grande escala ocorrendo com ou sem ar (definição comum
usada na indústria).
Qualquer processo metabólico que libere energia que ocorra somente sob condições anaeróbicas
(tornando-se mais científica);
Qualquer processo metabólico que libere energia de um açúcar ou outra molécula orgânica, não
requer oxigênio ou um sistema transportador de elétrons e usa uma molécula orgânica como
aceptor final de elétrons (definição científica).
REFERÊNCIA
Burton, G.R.W., Engelkirk, P.G. Microbiologia para as Ciências da Saúde, 5ª ed., Rio de Janeiro: Guanabara
Koogan, 1998.
Jawets, E. Microbiologia Médica. 22ª ed., Rio de Janeiro: McGraw-Hill, 2006.
Tortora, G.J. Microbiologia. 8ª ed., Porto Alegre: Artmed, 2002.
Tortora, G.J. Microbiologia. 8ª ed., Porto Alegre: Artmed, 2005.
Trabulsi, L.R., Alterthum, F., Gompertz, O. F., Candeias, J.A.N. Microbiologia, 3ª ed., São Paulo: Atheneu,
1998.
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