Aula 3 - Fisiologia bacteriana

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Metabolismo e Nutrição 
bacteriana
Capítulo 5 - Tortora
Fisiologia Bacteriana
• A fisiologia estuda o funcionamento do organismo vivo
physis = natureza, função ou funcionamento
• Bactérias têm a capacidade de realizar reações químicas e de
organizar as moléculas em estruturas específicas, para que ocorra
a replicação celular.
• Metabolismo – soma de todas as reações bioquímicas que estes
microrganismos realizam para manter as atividades vitais da
célula.
• Divisão celular necessita de um ambiente propício com todos os
constituintes químicos e físicos para o seu metabolismo.
Fisiologia Bacteriana
 Composição química de uma célula procariótica:
Fisiologia Bacteriana
 Dentro de uma célula bacteriana ocorrem reações 
químicas catalisadas por enzimas.
Anabolismo - conjunto de processos biossintéticos que requerem
energia e que forma os componentes celulares a partir de moléculas
menores: os nutrientes.
Catabolismo - conjunto de processos de degradação de moléculas e
nutrientes que liberam energia. As reações catabólicas fornecem
energia para as reações anabólicas ou Biossintéticas.
Catabolismo Anabolismo
Acoplamento das reações anabólicas e catabólicas é obtido através do ATP
Metabolismo
Adenosina trifosfato
Fisiologia Bacteriana
Componentes 
celulares: 
parede, 
membrana, etc.
Síntese de 
enzimas, ácidos 
nucléicos, polis-
sacarídeos, 
fosfolipídios, 
etc.
Reparos e 
manutenção da 
célula
Crescimento e 
multiplicação
Acumulação de 
nutrientes e 
excreção de 
produtos 
indesejáveis
Mobilidade
• Requerimentos de energia:
Vias de obtenção de energia no mundo microbiano
Fontes de carbono e energia para o crescimento bacteriano
 As bactérias, de acordo com a fonte de carbono e de energia que 
utilizam, podem ser classificadas em:
• Nutriente - elemento ou composto químico necessário para o
metabolismo;
• Os nutrientes captados do ambiente são transformados em
constituintes celulares ou usados para liberar energia para a célula.
Macronutrientes Micronutrientes
Fatores de 
crescimento
Nutrientes
Macronutrientes – necessários em grandes quantidades
Micronutrientes - requeridos em pequenas quantidades 
Elementos Funções
Manganês
Presente nas enzimas que quebram a água no
fotossistema II dos fototróficos oxigênicos e nas
superóxido dismutases.
Cobalto Presente vitamina B12 e transcarboxilases
Zinco
Presente nas metalopeptidases, metaloenzimas, DNA e
RNA polimerases
Cobre Enzimas envolvidas na respiração
Molibdênio
Presente nas enzimas molibdênio nitrogenases, nitrato
redutases
Cromo Metabolismo da glicose
Níquel Presente nas enzimas hidrogenases e ureases
Selênio
Ocorre no tRNA, formato-desidrogenases e
oxirredutases
Tungstênio Presente nas formato-desidrogenases e oxitransferases
AminoácidosVitaminas
Purinas 
Pirimidinas
Fatores de crescimento
 Compostos orgânicos requeridos em pequenas quantidades e
somente algumas bactérias que não podem sintetizá-los.
 Bactérias fastidiosas. Ex: Bactérias lácticas
Três grupos principais
 Muitos microrganismos são capazes de sintetizá-los.
 Estes compostos entram na composição das células ou de 
precursores dos constituintes celulares.
 Ácidos graxos insaturados, colesterol, poliaminas.
Fatores de crescimento Função
Aminoácidos Componente de proteínas
Colesterol
Usado por Micoplasmas para 
síntese da membrana celular
Heme Porção funcional de citocromos
NADH Carreador de elétrons
Niacina (Vitamina B3) Precursor de NAD+ e NADP+
Ácido pantotênico (Vitamina B5) Componente da coenzima A
Ácido para-aminobenzóico (PABA) Precursor de ácido fólico
Purinas e pirimidinas Componentes de ácidos nucléicos
Riboflavina (Vitamina B2) Precursor de FAD
Fatores de crescimento
Vitamina Função Microrganismos
Biotina
Fixação de CO2
Metabolismo do carbono
Leuconostoc mesenteroides (B)
S. cerevisae (F)
Ochramonas malhamensis (A)
Acanthomoeba castellani (P)
Vitamina B12
(cianocobalamina)
Rearranjos moleculares
Metabolismo do carbono
(transporte de grupos 
metil)
Lactobacillus sp.(B)
Euglena gracilis (A)
A. castellani (P)
Ácido Fólico Metabolismo do carbono
Enterococcus faecalis (B)
Tetrahymena pyriformis (P)
Vitamina B6
(piridoxina)
Metabolismo de 
aminoácidos
Lactobacillus sp. (B)
T. pyriformis (P)
Ácido nicotínico 
(niacina)
Precursor do NAD e NADP
(carreadores de elétrons)
Caulobacter vibroides (B)
T. pyriformis (P)
Fatores de crescimento
Vitaminas requeridas pelos microrganismos e suas funções
As células capturam nutrientes, alguns dos quais servem como
fontes de energia, e os degradam de compostos altamente
reduzidos (com muitos átomos de hidrogênio) a compostos
altamente oxidados.
Por exemplo, quando a célula oxida uma molécula de glicose
(C6H12O6) a CO2 e H2O, a energia na molécula de glicose é
removida por etapas, sendo no final captada no ATP que pode
então servir como fonte de energia para as reações que
requerem energia.
Metabolismo microbiano
Respiração
aeróbica
Respiração
anaeróbica
Fermentação
Obtenção de energia
• Glicólise: oxidação da glicose a ácido pirúvico com 
produção de ATP e energia contida em NADH.
• Ciclo de Krebs: oxidação de um derivado do ácido 
pirúvico (acetil coenzima A) a dióxido de carbono, com 
produção de ATP(GTP), energia contida em NADH e FADH2.
• Cadeia de transporte de elétrons: NADH e FADH2 são 
oxidados. Cascata de reações de oxirredução envolvendo 
uma série de transportadores de elétrons. A energia dessas 
reações é utilizada para gerar grande quantidade de ATP.
Conceitos básicos
Catabolismo 
de 
carboidrato
1ª Etapa: Oxidação do composto
orgânico a CO2 pelas vias
metabólicas centrais:
- Glicólise: oxidação da glicose a
ácido pirúvico com produção de
ATP e NADH
- Ciclo do ácido cítrico: oxidação
do acetil-CoA a CO2 com produção
de ATP (GTP) , NADH e FADH2
2ª Etapa: Elétrons provenientes
da glicólise e do ciclo do ácido
cítrico são carreados pelo NADH
e FADH2 e passam pela cadeia
transportadora de elétrons até o
aceptor final de elétrons (O2)
Etapa preparatória Etapa de recuperação de energia
Fosforilação 
em nível de substrato
Fosforilação 
em nível de 
substrato
Glicólise
Glicose
A glicose é:
- Fosforilada com gasto de 2 ATP
- Reestruturada
- Quebrada em duas moléculas de 3 C
Glicólise – Etapa preparatória
• GP é oxidada em vários passos;
• NAD+ reduzido a NADH;
• ATP produzido por fosforilação 
ao nível de substrato;
• Energia líquida da glicólise é
de 2ATPs;
• 4 ATPs - 2 ATPs gastos no
passo preparatório.
Glicólise – Etapa de recuperação de energia
Ciclo de Krebs
Cadeia transportadora de elétrons
• Os elétrons transportados pela cadeia
são fornecidos por NADH e FADH2 que
foram reduzidas durante a glicólise e
ciclo de Krebs.
• As reações de oxirreduções envolvendo
uma série de transportadores de
elétrons geram energia-síntese de ATP.
Cadeia transportadora de elétrons de bactérias
• São muito diversas: no sentido que carreadores específicos
utilizados por uma bactéria e a ordem em que eles funcionam
podem ser diferentes daqueles de outras bactérias e daqueles
dos sistemas mitocondriais;
• Mesmo uma única bactéria pode ter vários tipos de cadeias de 
transporte de elétrons;
• Todas as cadeias de transporte de elétrons atingem o mesmo
objetivo - liberar energia quando elétrons são transferidos de
um composto de alta energia para um composto de baixa
energia.
Geração de ATP a partir
da força próton motiva
Síntese de ATP – Mecanismo quimiosmótico
Balanço energético da respiração aeróbia
2 NADH formados da glicólise 6 ATP2 ATPs formados na glicólise 2 ATP 
8 NADH formados no ciclo de Krebs 24 ATP
2 FADH2 formados no ciclo de Krebs 4 ATP
2 ATPs (GTP) formados no ciclo de Krebs 2 ATP
Total 38
• Na respiração anaeróbica o aceptor de
elétrons é uma substância inorgânica.
• O aceptor final de elétrons não é o
oxigênio.
• Aceptores inclui NO3
- , Fe3+, SO4
2-, CO3
2-
• A respiração anaeróbia é menos
eficiente em termos energéticos do
que a respiração aeróbia por causa
da máxima eletropositividade do
par O2/H2O
Respiração Anaeróbia
• Não requer ciclo de Krebs ou CTE.
• Utiliza molécula orgânica como aceptor final de elétrons.
• Não requer oxigênio, mas pode ocorrer na presença deste.
• Produz pequenas quantidades de ATP (grande parte da
energia permanece nas ligações químicas dos compostos
orgânicos formados).
Processo no qual os compostos orgânicos são parcialmente 
degradados
Fermentação
Fermentação
Streptococcus e Lactobacillus Saccharomyces
Diversidade Fermentativa
Produtos finais de várias fermentações microbianas 
Diversidade Fermentativa
Crescimento Bacteriano
 É o resultado do aumento da densidade
populacional, isto é, número ou massa de
células.
Capítulo 6 - Tortora
Fatores 
químicos
Fatores físicos
Fatores 
necessários 
para o 
crescimento 
microbiano
 Fatores físicos - temperatura, pH, pressão osmótica;
 Fatores químicos - carbono, nitrogênio, enxofre, fosforo,
elementos traço, fatores de crescimento, oxigênio.
Composição química média de bactérias, leveduras e fungos (% peso seco)
Elementos Bacteria Levedura Fungo
Carbono 50-53 45-50 40-63
Hidrogênio 7 7
Nitrogênio 12-15 7.5-11 7-10
Fósforo 2-3 0.8-2.6 0.4-4.5
Enxofre 0.2-1 0.01-0.24 0.1-0.5
Potássio 1-4.5 1-4 0.2-2.5
Sódio 0.5-1 0.01-0.1 0.02-0.5
Cálcio 0.01-1.1 0.1-0.3 0.1-1.4
Magnésio 0.1-0.5 0.1-0.5 0.1-0.5
Cloreto 0.5 - -
Ferro 0.02-0.2 0.01-0.5 0.1-0.2
Fatores necessários para o crescimento microbiano
Temperatura:
Temperatura 
mínima de 
crescimento:
Temperatura na qual a 
espécie é capaz de crescer.
Temperatura 
ótima de 
crescimento:
Temperatura na qual a 
espécie apresenta melhor 
crescimento.
Temperatura 
máxima de 
crescimento:
Temperatura na qual ainda 
é possível verificar 
crescimento.
Fatores Físicos - Temperatura
Fatores Físicos - Temperatura
Temperatura cardeais de 
um microrganismos 
Fatores Físicos - Temperatura
pH
Refere-se a acidez ou a alcalinidade de uma solução
• Maioria dos microrganismos: crescem melhor próximo
a neutralidade;
• Bactérias - poucas são capazes de crescer em pH ácido;
• Fungos - tendem a ser mais acidófilos (pH < 5);
• Protozoários e algas - crescem melhor em pH neutro.
Fatores Físicos - pH
A maioria das bactérias
cresce melhor em uma
faixa estreita de pH perto
da neutralidade, entre pH
6,5 e 7,5.
Fatores Físicos - pH
Fatores Físicos - pH
Fatores Físicos - pH
Pressão osmótica
Os microrganismos necessitam de água para o seu
crescimento
• A disponibilidade de água não depende do conteúdo aquoso
absoluto no ambiente, mas é também em função da
concentração de solutos;
• Pressão osmótica elevada têm o efeito de remover água da
célula.
Fatores Físicos – pressão osmótica 
Fatores Físicos – Pressão osmótica
Fatores Físicos – Pressão osmótica
Carbono:
• Faz parte da composição dos compostos orgânicos –
esqueleto estrutural da matéria viva;
• Os organismos quimioheterotróficos obtêm a maior parte
de seu carbono de sua fonte de energia – materiais orgânicos
como carboidratos, proteínas e lipídios;
• Os organismos quimioautotróficos e os fotoautotróficos
derivam seu carbono do dióxido de carbono.
Fatores Químicos
Nitrogênio e fósforo:
• Necessários para a síntese de DNA, RNA e ATP;
• Os organismos utilizam o nitrogênio para formar o grupo amino
dos aminoácidos das proteínas;
• O fósforo é essencial para a síntese de ácidos nucleicos e
fosfolipídios das membranas celulares. É também encontrado
nas ligações de energia do ATP.
Fatores Químicos
Enxofre:
• Utilizado para sintetizar os aminoácidos contendo enxofre e
vitaminas como tiamina e biotina.
Elementos traço:
• Utilizados pelos microrganismos em pequenas quantidades.
São referidos como elementos traço o ferro, cobre, molibdênio
e zinco. Esses minerais são essenciais para as funções de certas
enzimas, geralmente cofatores.
Fatores Químicos
 Fatores de crescimento:
• Compostos orgânicos essenciais ao crescimento de um
organismo, mas que este é incapaz de produzir.
• Ex.: Vitaminas, aminoácidos, purinas, pirimidinas, etc.
Oxigênio:
• Extremamente importante no crescimento microbiano, no
entanto, alguns organismos não toleram a presença de
oxigênio;
Fatores Químicos
(a) Aeróbios obrigatórios
(b) Anaeróbios estritos
(c) Anaeróbios facultativos
(d) Microaerófilos
(e) Anaeróbios aerotolerantes
Fatores físicos 
Oxigênio:
Oxigênio
Formas tóxicas de oxigênio
Formas tóxicas de oxigênio
Oxigênio
Enzimas que destroem espécies tóxicas 
de oxigênio
 Ação das enzimas superóxido dismutase, catalase e peroxidase. Estas
enzimas eliminam radicais tóxicos do oxigênio que são inevitavelmente
gerados em sistemas vivos na presença de O2.
Bactérias aeróbias e facultativas
Fatores Químicos
Bactérias anaeróbias estritas
Fatores Químicos
De onde os microrganismos captam essas
substâncias nutritivas?
 Do seu habitat;
 Dos meios de cultura laboratoriais quando se
deseja estudar os microrganismos em ambiente
controlado.
Grupo nutricional
Fonte de 
Carbono
Fonte de 
energia
Exemplos
Quimioautotróficos
ou
Quimiolitotrófico
CO2
Compostos 
inorgânicos
Bactérias 
nitrificantes e 
sulfurosas
Quimioheterotróficos
ou
Quimiorganotrófico
Compostos 
Orgânicos
Compostos 
Orgânicos
Maioria das 
bactérias, fungos, 
protozoários e 
animais
Fotoautroficos CO2 Luz
Algas, 
Cianobactérias e 
plantas
Fotoheterotróficos
Compostos 
orgânicos
Luz
Bactérias violetas 
não sulfurosas
Classificação nutricional dos microrganismos
Classificação nutricional dos microrganismos
Meios de cultura: material nutriente preparado para o
crescimento dos microrganismos;
Cultura: microrganismos que crescem e se multiplicam no meio
de cultura;
 Os meios de cultura utilizados para o cultivo de
microrganismos podem ser classificados quanto:
• Ao estado físico;
• À composição química;
• À função do meio de cultura.
Meio de Cultura
 Classificação quanto ao estado físico do meio de cultura:
Líquido
(Turvação)
Sólido (1,5% de ágar)
(Colônias)
Semi-sólido (0,5 a 0,75% de ágar) 
– (Motilidade)
Estado Físico
 Classificação quanto à composição química:
•Meio quimicamente definido ou sintético: todos os
componentes e as quantidades são conhecidas.
•Meio complexo: contém componentes cuja
composição química não é precisa.
Ex.: extrato de carne, extrato de levedura, peptona, sangue,
leite, etc.
Composição química
 Classificação quanto à função:
• Meio diferencial: permite a distinção de colônias;
• Meio seletivo: contém agente inibidor que impede o
desenvolvimento de determinado microrganismo;
• Meio de enriquecimento: aumenta o número de
determinado microrganismo em uma amostra;
• Meio redutor: apresenta menor tensão de O2.
Função
Meio seletivo e diferencial para enterobactérias: Ágar EMB
Lactose 
negativo
Lactosepositivo
Brilho verde metálico e 
lactose positivo – colônia 
típica de E. coli
Função
Colônia não 
hemolítica
Colônia 
hemolítica
Colônia não 
hemolítica
Meio diferencial: Ágar sangue
Função
 Para se caracterizar um microrganismo ele deve
estar em cultura pura.
• Cultura pura: quando uma colônia ou cultura é
originada de uma única célula.
• Cultura mista: se a colônia ou cultura é originada de
mais de uma célula.
Isolamento dos Microrganismos
Meios para anaeróbios: adição de agentes redutores
(tioglicolato de sódio, resazurina).
Jarras de anaerobiose
Cultivo de microrganismos anaeróbios
Vela acesa 
(microaerofilia)
Tubos com rolha 
de borracha
Cultivo de microrganismos anaeróbios
 Câmara de anaerobiose:
Cultivo de microrganismos anaeróbios
Cultivo de microrganismos aeróbios
• As bactérias se multiplicam por fissão binária, um processo que
ocorre devido à formação de septos, que se dirigem da
superfície para o interior da célula, dividindo a bactéria em duas
células filhas.
• O período da divisão celular depende do tempo de geração de
cada bactéria.
• Ex:. E. coli (20 minutos)
Tempo de geração: tempo necessário para uma célula se dividir em duas
Reprodução assexuada
- Fissão Binária (mais comum)
Reprodução assexuada
Como calcular a concentração total de 
células?
N = N0 x 2n onde;
N0 = número inicial de células;
n = número de gerações
Como representar graficamente populações tão grandes 
utilizando números aritméticos?
Progressão geométrica de quociente 2 do crescimento populacional
bacteriano
Cinética do crescimento
Utilização de escalas logarítmicas para representação
gráfica do crescimento bacteriano.
Cinética do crescimento
Curva de crescimento bacteriano
• Métodos diretos:
a) Contagem em placas;
b) Filtração;
c) Método do número mais
provável (NMP);
d) Contagem direta ao
microscópio
• Métodos indiretos:
a) Turbidimetria;
b) Atividade metabólica;
c) Peso seco.
Medidas do crescimento microbiano
a) Contagem em placas
Vantagem: mede o número de células viáveis;
Desvantagem: são necessários cerca de 24 horas para que
colônias visíveis sejam formadas.
Métodos diretos
Estria simples Estria composta
Técnica de esgotamento por estrias
Técnica de esgotamento por estrias
Contagem de colônias em placas diluição 
seriada de fungos filamentosos
UFC/mL= nº colônias x fator 
diluição/aliquota plaqueada
Diluição seriada
Técnicas de plaqueamento:
Métodos diretos
b) Filtração
- Utilizado para concentrar os microrganismos em uma
membrana de filtro (porosa). Poros pequenos impedem
a passagem dos microrganismos.
- Amostras de água em riachos, lagos, pois possuem
pouca quantidade de células (poluição fecal – coliformes
fecais);
- Procedimento: Filtrar 100 mL de água  em seguida
colocar a membrana em meio de cultura e incubar 
contagem de UFC
Métodos diretos
c) Método do Número Mais provável (NMP)
Técnica estatística: quanto maior o número de
bactérias, maior será o número de diluições
necessárias para eliminar totalmente o crescimento
em tubos contendo meio de cultura.
- Técnica utilizada quando as bactérias não crescem
em meio sólido.
- Fornece apenas uma estimativa.
Métodos diretos
d) Contagem direta ao micróscopio
Um volume conhecido de suspensão bacteriana é
colocado em uma área definida da lâmina de
microscópio.
Desvantagem:
- Não separa células mortas e vivas;
- Pode haver erros na contagem.
Métodos diretos
a) Turbidimetria
Quando uma bactéria de multiplica em meio líquido,
esse meio fica turvo ou com alta densidade de células;
utilização do espectrofotômetro
Métodos indiretos
b) Atividade Metabólica
- Assume que a quantidade de um determinado produto
metabólico produzido (ácido ou CO2) é diretamente
proporcional ao número de bactérias presentes.
c) Peso seco
Usado pra medir a quantidade de microrganismo
- O microrganismo é removido do meio de crescimento,
filtrado (ou centrifugado) e seco em dissecador, sendo então
pesado.
- Bom método para fungos filamentosos
Métodos indiretos