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Gabriela Petkevicius MECANISMOS DE DEFESA E AGRESSÃO - MICROBIOLOGIA Formas mais comuns Os micróbios, também chamados de micro- organismos, são formas de vida diminuta individualmente muito pequenas para serem vistas a olho nu. O grupo inclui: Bactérias; Fungos (leveduras e fungos filamentosos); Protozoários; Algas microscópicas; Vírus. Podem ser benéficos ou prejudiciais aos seres vivos Prejuízos: Doenças graves (como p.ex.: AIDS); Infecções desagradáveis; Deterioração de alimentos. Benefícios: Micro-organismos marinhos e de água doce constituem a base da cadeia alimentar em oceanos, lagos e rios; Micróbios do solo ajudam a degradar detritos e incorporam nitrogênio gasoso Participam na fotossíntese No intestino humano digerem e sintetizam algumas vitaminas que seus corpos requerem, incluindo algumas vitaminas do complexo B, para o metabolismo, e vitamina K, para a coagulação do sangue. Os micro-organismos também possuem muitas aplicações comerciais: Síntese de produtos químicos como vitaminas, ácidos orgânicos, enzimas, álcoois e muitas drogas Aplicações na indústria de alimentos: Produção de vinagre, picles, bebidas alcoólicas, azeitonas verdes, molho de soja, manteiga, queijo, iogurte e pão São organismos relativamente simples e de uma única célula (unicelulares) Procariontes, ou seja, seu material genético não é envolto por uma membrana nuclear. Esse material estará disperso no citoplasma celular Apresentam várias formas: Bacilos ⇢ em forma de bastão Cocos ⇢ esféricos ou ovoides Espirilos ⇢ em forma de saca-rolha Estrela ou quadrada Podem formar pares, cadeias ou outros agrupamentos. Envolvidas por uma parede celular composta por peptideoglicano (um complexo de carboidrato e proteína) Se reproduzem por divisão em duas células iguais; esse processo é chamado de fissão binária São células procariontes Parede celular, quando possuem, não são compostas por peptideoglicano Frequentemente encontradas em ambientes extremos Divididas em 3: 1. Metanogênicas: produzem metano como resultado da respiração 2. Halogênicas extremas: vivem em ambientes salinos 3. Termofílicas extremas: vivem em águas sulfurosas e quentes As arquibactérias não são conhecidas como causadoras de doenças em humanos. Eucariontes ⇢ organismos que possuem um núcleo definido, que contém o material genético (DNA), envolto por um envelope especial chamado de membrana nuclear. Podem ser unicelulares ou multicelulares Parede celular composta principalmente de quitina Leveduras ⇢ são formas unicelulares dos fungos, são micro-organismos ovais que são maiores que as bactérias Bolores ⇢ fungos filamentosos, que formam massas visíveis chamadas de micélios, compostas Introdução a Classificação e estruturas bacterianas Gabriela Petkevicius MECANISMOS DE DEFESA E AGRESSÃO - MICROBIOLOGIA de longos filamentos (hifas) que se ramificam e se entrelaçam Reprodução: sexuada e assexuada Nutrição: absorção de soluções de matéria orgânica presente no meio ambiente (solo, agua do mar, agua doce, um animal ou planta hospedeira) Unicelulares eucarióticos Locomoção: por meio de psudopódes, flagelos ou cílios Tem forma variável Vivem como entidades de vida livre ou parasita Reprodução: sexuada ou assexuada São eucariotos fotossintéticos Forma variável Reprodução: sexuada e assexuada As paredes celulares de muitas algas são compostas de um carboidrato chamado de celulose Habitat em água doce e salgada, no solo e em associação com plantas São estruturas quimicamente completas, são parasitas intracelulares obrigatórios Acelulares (não são células) Sua estrutura é muito simples contendo: NÚCLEO: Formado por apenas um tipo de ácido nucleico (DNA ou RNA) PORÉM, existem algumas exceções de vírus que possuem simultaneamente esses 2 tipos de ácido nucleico, p.ex.: o citomegalovírus (CMV) Esse núcleo é circundado por um envoltório proteico Algumas vezes, o envoltório é revestido por uma camada adicional, uma membrana lipídica chamada de envelope (camada lipídica) Sua reprodução acontece através do uso da maquinaria de outros organismos. Só são considerados vivos quando estão multiplicando dentro das células hospedeiras que infectam. São parasitas de outras formas de vida. Helmintos: vermes parasitas Durante alguns estágios do ciclo de vida, os helmintos são de tamanho microscópico A ciência da microbiologia iniciou há apenas 200 anos, contudo a recente descoberta de DNA de Mycobacterium tuberculosis em uma múmia egípcia de 3.000 anos indica que os micro- organismos têm estado por muito mais tempo ao nosso redor. Em 1665: Robert Hooke com a ajuda de um microscópio relativamente muito simples observou uma fina fatia de cortiça e relatou ao mundo que as menores unidades vivas eram “pequenas caixas”, ou “células” A partir dessa descoberta marcou o início da teoria celular ⇢ “todas as coisas vivas são compostas por células” Embora o microscópio de Hooke fosse capaz de mostrar células grandes, não tinha resolução suficiente que permitisse a ele ver claramente os micróbios. 1674: Antony van Leeuwenhoek foi o primeiro a observar e descrever os micro-organismos vivos através de lentes de aumento de mais de 400 microscópios que ele fabricou. Considerado o pai da “microbiologia” Entre 1673 e 1723, Antony van Leeuwenhoek escreveu uma série de cartas para a Sociedade Real de Londres descrevendo os “animálculos”. Fazendo desenhos detalhados de água da chuva, de suas próprias fezes e de material raspado de seus dentes Após a descoberta de Leewenhoek, a comunidade cientifica da época ficou interessada na origem destes micro-organismos Até a segunda metade do século XIX, muitos cientistas e filósofos acreditavam que algumas formas de vida poderiam surgir espontaneamente da matéria morta; eles chamaram esse processo hipotético de geração espontânea Gabriela Petkevicius MECANISMOS DE DEFESA E AGRESSÃO - MICROBIOLOGIA EVIDÊNCIAS CONTRA: Em 1668 Francesco Redi demonstrou que as larvas de insetos não surgiam espontaneamente de carne apodrecida Os resultados de Redi foram um forte golpe no antigo conceito de que as formas grandes de vida poderiam surgir de formas não vivas EVIDÊNCIAS PRÓ: Em 1745: Jonh Needham descobriu que, mesmo após aquecer caldos nutrientes (como caldo de galinha e caldo de milho) antes de colocá-los em frascos fechados, as soluções resfriadas eram logo ocupadas por micro-organismos. Needham considerou que: os micróbios desenvolviam-se espontaneamente a partir de caldos EVIDÊNCIAS CONTRA: Em 1769: Lazzaro Spallanzani sugeriu que os micro- organismos do ar teriam entrado nas soluções de Needham após estas terem sido fervidas. Demonstrou que os caldos nutrientes aquecidos após serem lacrados em um frasco não apresentavam desenvolvimento microbiano. Crítica: no frasco lacrado não existia oxigênio suficiente para o desenvolvimento da vida microbiana Em 1858: Rudolf Virchow desafiou o conceito da geração espontânea com o conceito da biogênese, que argumentava que células vivas poderiam surgir somente de células vivas preexistentes Em 1861: Louis Pasteur demonstrou que os micro- organismos estavam presentes no ar e podiam contaminar soluções estéreis, mas o ar por si só não podia criar micróbios. VEJA O experimento: Esse experimento mostrou que: Os micro-organismos podem estar presentes na matéria não viva – sobre sólidos, em líquidos e no ar. A vida microbiana pode ser destruída pelo calor e que podem ser elaborados métodospara bloquear o acesso de micro-organismos do ar aos ambientes nutritivos Essas descobertas formam a base das técnicas de assepsia Em 1857 um grupo de mercadores franceses pediu a Pasteur que descobrisse porque o vinho e a cerveja azedavam Muitos cientistas acreditavam que o ar convertia os açúcares desses fluidos em álcool. Então Pasteur descobriu que micro-organismos chamados de leveduras convertiam os açúcares em álcool na ausência de ar. Esse processo é chamado de fermentação ⇢ usado para fazer vinho e cerveja. Em 1864 Pasteur solucionou o problema da deterioração da cerveja e o do vinho Como? Aquecendo a cerveja e o vinho o suficiente para matar a maioria das bactérias que causavam o estrago Esse processo é agora comumente usado para reduzir a deterioração e matar bactérias potencialmente nocivas no leite, bem como em algumas bebidas alcoólicas Gabriela Petkevicius MECANISMOS DE DEFESA E AGRESSÃO - MICROBIOLOGIA Em 1876 koch postulou a teoria do germe da doença, ou seja, que os micro-organismos pudessem causar doenças Na época era um conceito difícil de aceitar, porque durante séculos acreditava-se que a doença era punição para crimes e pecados individuais A maioria das pessoas nascidas na época de Pasteur achava inconcebível que micróbios “invisíveis” poderiam viajar pelo ar e infectar plantas e animais Em 1865, Pasteur foi chamado para ajudar no combate à doença do bicho-da-seda, que estava arruinando a indústria da seda em toda a Europa Descobriu que a infecção era causada por um protozoário Em 1860, Joseph Lister aplicou a teoria do germe nos procedimentos médicos Lister estava ciente de que os médicos não faziam assepsia das mãos, transmitiam infecções rotineiramente Ele sabia que o fenol (ácido carbólico) matava as bactérias, então começou a tratar as feridas cirúrgicas com uma solução de fenol Provando que os micro-organismos provocam infecções nas feridas cirúrgicas. Em 1876 Robert koch provou que as bactérias realmente causam doenças Descobriu a causa do antraz, uma doença que estava destruindo os rebanhos de gado e ovelhas Descobriu uma bactéria em forma de bastonete, atualmente conhecida como Baccilus anthracis, no sangue dos animais mortos por antraz. Edward Jenner iniciou um experimento para descobrir um modo de proteger as pessoas da varíola. COMO? Quando uma jovem que trabalhava na ordenha de vacas informou a Jenner que ela não contrairia varíola porque já tinha estado doente de varíola bovina (uma doença mais branda que a varíola) ele decidiu testar a história da garota Inoculou em um voluntario de 8 anos o material retirado das feridas por meio de pequenos arranhões no braço do garoto com uma agulha contaminada Os arranhões deram origem a bolhas. O voluntário estava com uma forma amena da doença, mas se recuperou e nunca mais contraiu nem a varíola bovina e nem a varíola humana Após a relação entre micro-organismos e doenças ter sido estabelecida os médicos microbiologistas direcionaram as novas pesquisas para a busca de substâncias que pudessem destruir o micro- organismo patogênico sem causar nenhum mal à pessoa ou ao animal infectado. Quimioterápicos produzidos naturalmente por bactérias e fungos que agem contra outros micro- organismos são chamados de antibióticos. Os agentes quimioterápicos preparados a partir de compostos químicos em laboratório são chamados de drogas sintéticas Paul Ehrlich especulou sobre uma “bala mágica” que pudesse combater e destruir o patógeno sem prejudicar o hospedeiro Descobriu um agente quimioterápico chamado de salvarsan, um derivado do arsênio, efetivo contra a sífilis No final da década de 1930, os pesquisadores desenvolveram outras drogas sintéticas derivadas de corantes e sulfa (sulfonamidas) Alexander Fleming observou uma área clara ao redor do fungo que haviam contaminado suas placas de cultivo e o crescimento bacteriano tinha sido inibido neste local. O fungo foi depois identificado com Penicillium notatum, sendo mais tarde chamado de Penicillium chrysogenum, Fleming chamou o inibidor produzido pelo fungo de penicilina A enorme utilidade da penicilina não foi notada até a década de 1940, quando foi testada clinicamente e produzida em grande escala. São organismos unicelulares, procariontes. Gabriela Petkevicius MECANISMOS DE DEFESA E AGRESSÃO - MICROBIOLOGIA Encontrados de forma isolada ou em colônias Organismos mais antigos ⇢ encontradas em rochas de 3,8 bilhões de anos Podem viver na presença de ar (aeróbicas), na ausência de ar (anaeróbicas) ou anaeróbias facultativas Suas dimensões geralmente variam de 0,2 a 2 μm de diâmetro e de 2 a 8 μm de comprimento De acordo com a forma: Cocos ⇢ geralmente são redondos, mas podem ser ovais, alongados ou achatados em uma das extremidades Bacilos ⇢ a maioria se apresenta como bastonetes simples. Se dividem somente ao longo do seu eixo curto, existindo assim menos padrões de agrupamento Vibriões ⇢ se assemelham a bastões curvos, forma de virgula Espirilos ⇢ possuem forma helicoidal, como saca-rolha. Para se locomover utilizam apêndices (flagelos) Espiroquetas ⇢ possuem forma helicoidal, e flexível. Se movimentam por meio de filamentos axiais, que lembram um flagelo De acordo com grau de agregação: Quando os cocos se dividem para se reproduzir, as células podem permanecer ligadas umas às outras. Cocos que permanecem aos pares após a divisão são chamados de diplococos; aqueles que se dividem e permanecem ligados uns aos outros em forma de cadeia são chamados de estreptococos. Aqueles que se dividem em dois planos e permanecem em grupos de quatro são conhecidos como tétrades. Aqueles que se dividem em múltiplos planos e formam agrupamentos tipo cacho de uva ou lâminas amplas são chamados de estafilococos Os bacilos se dividem somente ao longo de seu eixo curto. Os diplobacilos se apresentam em pares após a divisão e os estreptobacilos ocorrem em cadeias. Outros ainda são ovais e tão parecidos com os cocos que são chamados de cocobacilos Além das formas básicas existem bactérias com formas diferentes Forma de estrela (ex: gênero Stella) Retangulares e planas (ex: gênero Holoarcula) Células triangulares Todas as células procarióticas compartilham certas características Gabriela Petkevicius MECANISMOS DE DEFESA E AGRESSÃO - MICROBIOLOGIA Cápsula ou glicocálice Flagelos Filamentos axiais Fímbrias ou Pili É o termo geral usado para as substâncias que envolvem as células É um polímero viscoso e gelatinoso que está situado externamente à parede celular e é composto de polissacarídeo, polipeptídeo ou ambos. É produzido dentro da célula e secretado para a superfície celular. Se a substância é organizada e está firmemente aderida à parede celular, o glicocálice é descrito como uma cápsula As cápsulas são importantes para a contribuição da virulência bacteriana (medida do grau com que um patógeno causa doença) Protegem as bactérias patogênicas da fagocitose pelas células do hospedeiro Exemplo: Bacillus anthracis (carbúnculo); Streptococcus pneumoniae e Klebsiella pneumoniae (pneumonia) O glicocálice é um componente muito importante dos biofilmes. Auxilia as células em um biofilme a se fixarem ao seu ambiente-alvo e umas às outras é denominado substância polimérica extracelular (SPE). A SPE protege as células dentro do glicocálice, facilita a comunicação entre as células e permite a sobrevivência celular pela fixação a várias superfícies em seu ambiente natural Exemplos: O Streptococcus mutans,um importante causador de cárie dentária, fixa-se na superfície dos dentes por um glicocálice; Vibrio cholerae, a bactéria causadora da cólera, produz um glicocálice que facilita a sua ligação às células do intestino delgado. São longos apêndices filamentosos que propelem as bactérias As bactérias sem flagelos são denominadas atríqueas Podem ser: Peritríqueos ⇢ distribuídos ao longo de toda a célula Polares ⇢ em um ou ambos os polos da célula. monotríqueo ⇢ um único flagelo em um polo lofotríqueo ⇢ um tufo de flagelo na extremidade da célula anfitríqueo ⇢ flagelos em ambas as extremidades celulares As espiroquetas são um grupo de bactérias que possuem estrutura e mobilidade exclusivas Mais conhecidas é o Treponema pallidum, o agente causador da sífilis Feixes de fibrilas que se originam nas extremidades das células, sob uma bainha externa, e fazem uma espiral em torno da célula Esse movimento tipo saca-rolhas provavelmente permite que bactérias como o T. pallidum movam- se efetivamente através dos fluidos corporais. Muitas bactérias gram-negativas contêm apêndices semelhantes a pelos que são mais curtos, retos e finos que os flagelos e que são usados mais para fixação e transferência de DNA que para mobilidade FÍMBRIAS: São distribuídas homogeneamente em toda a superfície da célula Podem variar em número, de algumas unidades a muitas centenas por célula Têm uma tendência a se aderir umas às outras e às superfícies Envolvidas na formação de biofilmes e outros agregados na superfície de líquidos, vidros e pedras. Por exemplo, as fímbrias da bactéria Neisseria gonorrhoeae, o agente causador da gonorreia. Auxiliam o micróbio a colonizar as membranas mucosas. Gabriela Petkevicius MECANISMOS DE DEFESA E AGRESSÃO - MICROBIOLOGIA PILI: São mais longos que as fímbrias, e há apenas um ou dois por célula. Estão envolvidos na mobilidade celular e na transferência de DNA São utilizados para agregar as bactérias e facilitar a transferência de DNA entre elas, um processo chamado de conjugação Membrana plasmática Citoplasma Ribossomos Nucleoide Plasmídeo Inclusões É uma estrutura fina situada no interior da parede celular, revestindo o citoplasma da célula Consiste principalmente de fosfolipídeos e proteínas As membranas plasmáticas procarióticas são menos rígidas que as membranas eucarióticas Estrutura: As moléculas de fosfolipídeos estão distribuídas em duas linhas paralelas, denominadas bicamada lipídica Contém uma cabeça polar, composta de um grupo fosfato e glicerol As moléculas proteicas são arranjadas em uma variedade de formas Proteínas periféricas ⇢ podem funcionar como enzimas que catalisam reações químicas Proteínas integrais ⇢ proteínas transmembrana Proteínas ligadas aos carboidratos são denominadas glicoproteínas Lipídeos ligados aos carboidratos são denominados glicolipídeos Ajudam a proteger e lubrificar a célula e estão envolvidos nas interações célula-a-célula Funções: Mais importante: é servir como uma barreira seletiva através da qual os materiais entram e saem da célula Digestão de nutrientes e na produção de energia. Contêm enzimas capazes de catalisar as reações químicas que degradam os nutrientes e produzem ATP. Em algumas bactérias, os pigmentos e as enzimas envolvidos na fotossíntese são encontrados em invaginações da membrana plasmática que se estendem ao citoplasma. Essas estruturas membranosas são denominadas cromatóforos ou tilacoides Uma substância da célula no interior da membrana plasmática 80% do citoplasma são compostos de água, contendo principalmente proteínas (enzimas), carboidratos, lipídeos, íons inorgânicos e compostos de peso molecular muito baixo É espesso, aquoso, semitransparente e elástico Principais estruturas do citoplasma procariotos: Uma área nuclear contendo DNA Ribossomos Depósitos de reserva denominados inclusões Não possui citoesqueleto Contém uma única molécula longa e contínua de DNA de fita dupla, com frequência arranjada de forma circular, denominada cromossomo bacteriano Pequenas moléculas de DNA de fita dupla, circulares São elementos genéticos extracromossômicos. Se replicam independentemente do DNA cromossômico Contêm de 5 a 100 genes que geralmente não são cruciais para a sobrevivência da bactéria em condições ambientais normais Podem ser adquiridos ou perdidos sem causar dano à célula Sob certas condições, entretanto, eles são uma vantagem para as células Podem transportar genes para atividades como resistência aos antibióticos, tolerância a metais tóxicos, produção de toxinas e síntese de enzimas Podem ser transferidos de uma bactéria para outra DNA plasmidial é utilizado para a manipulação genética em biotecnologia Gabriela Petkevicius MECANISMOS DE DEFESA E AGRESSÃO - MICROBIOLOGIA Funcionam como locais de síntese proteica O citoplasma de uma célula procariótica contém dezenas de milhares destas estruturas muito pequenas, que dão ao citoplasma um aspecto granular São compostos de duas subunidades, cada qual consistindo de proteína e de um tipo de RNA denominado RNA ribossômico (rRNA) Os ribossomos procarióticos diferem dos ribossomos eucarióticos no número de proteínas e de moléculas de rRNA que eles contêm; eles também são um pouco menores e menos densos que os ribossomos das células eucarióticas Vários tipos de depósitos de reserva no citoplasma Podem ser inclusões podem ser: Grânulos metacromáticos – contendo pigmento Grânulos polissacarídicos – contendo reserva para produção de ATP Inclusões lipídicas – armazenamento de lipídios Grânulos de enxofre – reserva de energia a partir da oxidação do enxofre Carboxissomos - contêm a enzima ribulose-1,5- difosfato-carboxilase Vacúolos de gás - mantêm a flutuação, para que as células possam permanecer na profundidade apropriada Magnetossomos - são inclusões de óxido de ferro É uma estrutura complexa, semirrígida, responsável pela forma da célula Circunda a frágil membrana plasmática Funções: Prevenir a ruptura das células bacterianas quando a pressão da água dentro da célula é maior que fora dela Ajuda a manter a forma de uma bactéria e serve como ponto de ancoragem para os flagelos Clinicamente - contribui para a capacidade de algumas espécies causarem doenças e também por ser o local de ação de alguns antibióticos. Composição e características: Composta de uma rede macromolecular denominada peptideoglicana a qual consiste em um dissacarídeo repetitivo ligado por polipeptídeos para formar uma rede que circunda e protege toda a célula A porção dissacarídica é composta de: Monossacarídeos denominados N- acetilglicosamina (NAG) Ácido N-acetilmurâmico (NAM) A porção polipeptídica: Inclui cadeias laterais de tetrapeptídeos (4 aminoácidos) ligados ao NAM no esqueleto. As cadeias laterais paralelas de tetrapeptídeos podem ser ligadas diretamente umas às outras ou unidas por uma ponte cruzada peptídica, consistindo de uma cadeia curta de aminoácidos. Consiste em muitas camadas de peptideoglicana, formando uma estrutura espessa e rígida Contêm ácidos teicoicos, que consistem principalmente de um álcool (como o glicerol ou ribitol) e fosfato Existem duas classes de ácidos teicoicos: Ácido lipoteicoico - atravessa a camada de peptideoglicana e está ligado à membrana plasmática Ácido tecoico da parede - está ligado à camada de peptideoglicana. Consistem em uma ou poucas camadas de peptideoglicana e uma membrana externa A peptideoglicana está ligadaa lipoproteínas na membrana externa e está no periplasma, um fluido semelhante a um gel, entre a membrana externa e a membrana plasmática São mais suscetíveis ao rompimento mecânico A membrana externa da célula gram-negativa consiste em lipopolissacarídeos (LPS), lipoproteínas e fosfolipídeos O lipopolissacarídeo (LPS) da membrana externa é uma molécula grande e complexa que contém lipídeos e carboidratos e que consiste em três componentes: Lipídeo A - funciona como endotoxina quando essas bactérias morrem Um cerne polissacarídico – fornecer estabilidade Um polissacarídeo O - funciona como um antígeno
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