MICROBIOLOGIA AULA 4 SEGUNDO SEM

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Apresentação
Todo ser vivo depende de reações bioquímicas complexas para se desenvolver.
 
Nesta aula, você reconhecerá que muitas reações de síntese e produção de moléculas de ATP encontradas em células procarióticas estão adaptadas a micro-organismos eucarióticos e organismos pluricelulares.
 
Por isso, conhecer os fatores e as condições de crescimento auxilia no cultivo de células no laboratório e no conhecimento das nossas próprias células. A biotecnologia pode ser considerada a aplicação direta desses conhecimentos.
Objetivos
· Definir reações catabólicas e anabólicas nos micro-organismos;
· Reconhecer as vias para obtenção de energia em bactérias;
· Classificar as condições para o crescimento de micro-organismos.
Metabolismo: quebras e sínteses
Todo organismo precisa colocar em ação um número x de reações para se manter vivo. São reações para retirar energia de algum nutriente, repor algum componente consumido e estocar algum composto energético. São muitas - e todas elas, importantes.
Não existe desperdício nos sistemas biológicos. Por isso, muitas dessas reações estão conectadas com outras vias de reação para fornecer mais de uma ação para a célula. O conjunto dessas reações é denominado metabolismo. Uma reação que gera a quebra de uma molécula maior, como, por exemplo, um polissacarídeo, automaticamente vai estar acoplada com uma reação de construção de alguma estrutura.
Em bioquímica, há as reações de:
1
Quebra
Catabólicas ou degradativas 1.
2
Síntese
Anabólicas ou biossintéticas.
O metabolismo ideal existe quando as reações de quebra estão em equilíbrio com as reações anabólicas.
Nas reações que envolvem a quebra de ligações químicas, ocorre a liberação da energia.
Mas como ela pode ser consumida pela célula?
Se uma ligação química é rompida, essa energia condicionada não sai simplesmente como um gás. Uma possibilidade seria transferir a energia para uma reação de síntese, correto? Para isso, é preciso que exista um elo entre essas duas condições. A resposta está na molécula de ATP: trifosfato de adenosina.
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Fonte: Shutterstock
Molécula de ATP: trifosfato de adenosina
No metabolismo energético da célula, a molécula de ATP libera o último fosfato inorgânico, transformando-se em ADP e Pi, o fosfato inorgânico. Não existe estoque de ATP porque o processo é extremamente dinâmico: a todo momento, uma molécula de ADP está se ligando a um Pi para reter (ou quebrar) uma ligação altamente energética.
Dica
Lembre-se das reações que precisam de uma entrada de energia: as endergônicas. São elas que utilizam o ATP, rompendo essa última ligação covalente para fornecer a energia de ligação para a síntese de alguma molécula.
Síntese e clivagem da molécula de ATP. | Fonte: Shutterstock
O ATP pode ser formado de duas maneiras:
1. Fosfato é retirado de um substrato e se liga a um ADP : processo conhecido como fosforilação em nível de substrato;
2. Com o auxílio de uma enzima ATPase 2: cujo rendimento de moléculas de ATP é bem superior.
Glicólise
A melhor forma de compreender o conceito de catabolismo é explorar uma de suas principais vias metabólicas: a glicólise 3
A glicólise é o carboidrato que a maioria dos micro-organismos utiliza como fonte primária para obtenção de energia – em seguida, vêm os lipídeos e as proteínas.
Para produzir energia, os micro-organismos utilizam dois processos:
1. Fermentação;
2. Respiração celular (ou, simplesmente, respiração).
Ambos começam a partir do mesmo ponto: glicólise. Trata-se de uma via metabólica com várias reações que transformam um carboidrato de seis carbonos em duas moléculas de três carbonos, o ácido pirúvico. Nas onze reações que levam à formação de ácido pirúvico, são produzidas duas moléculas de:
1.  ATP (através de fosforilações em nível de substratos);
2. NADH.
A glicólise consiste de dois passos básicos:
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Fase preparatória
Fase de recuperação de energia
Há a oxidação dessas moléculas em duas moléculas de ácido pirúvico com ganho final de duas moléculas de ATP.
 Visão geral das reações da glicólise. | Fonte: Shutterstok
Se o micro-organismo é aeróbio, o ácido pirúvico será guiado para reações que transferem elétrons até o oxigênio. Se o micro-organismo é anaeróbio, no lugar do oxigênio entra outra molécula, como, por exemplo, o íon nitrato (NO3-) no gênero Pseudomonas 4.
Ciclo de Krebs
A etapa seguinte à da glicólise é o ciclo do ácido cítrico ou ciclo de Krebs. Nele, o ácido pirúvico reage com a coenzima A (CoA), perdendo 1C e formando acetil-CoA. O oxaloacetato, um composto renovável do ciclo de Krebs, reage com o acetil-CoA, formando o ácido cítrico e liberando a coenzima A, que será utilizada novamente. São 10 reações que recuperam ao final o oxaloacetato, gerando, a cada entrada de molécula de ácido cítrico, a liberação de:
1
Quatro moléculas de CO2 para o ambiente.
2
Seis moléculas de NADH.
3
Duas moléculas de FADH2.
4
Duas moléculas de ATP (geradas em nível de substrato).
O ciclo de Krebs, na verdade, é uma encruzilhada metabólica que gera produtos utilizados pela bactéria para os mais variados fins. E uma das funções mais importante dessa etapa é a saída das coenzimas reduzidas NADH e FADH2 para entregar esses elétrons a um sistema de moléculas carreadoras.
Veja a sequência das reações do ciclo de Krebs na figura a seguir e confirme se o mais importante é mesmo a geração de energia pelo ATP. Parece que não. Há dez reações e produção de duas moléculas de ATP.
 Visão geral do ciclo do ácido cítrico ou ciclo de Krebs. | Fonte: Shutterstock
Na figura, repare que as enzimas desidrogenases trabalham com as coenzimas NAD+ e FAD+, tornando-as reduzidas. As moléculas carreadoras de elétrons podem até ser diferentes entre os procariotos, mas ao final sempre vai existir uma enzima ATPase.
Como já foi comentado neste curso, a ATPase é um dos ganhos evolutivos mais conservados entre os seres vivos: tamanha é a sua importância que nós e as bactérias aeróbias compartilhamos o mesmo processo em relação a ela. Quando os H+ alcançam essa enzima, ela torna-se ativada, fazendo a ligação entre ADP e Pi. É a fosforilação oxidativa, pois a formação de ATP está acoplada às reações de oxidação. A configuração dessa enzima é tão especial que permite que os H+ passem pelo seu interior, mudando a sua configuração inativa para ativa. São produzidas 38 moléculas de ATP por hexose.
Micro-organismos anaeróbios
Não existem todas as reações do ciclo de Krebs porque eles não possuem todos os aceptores dos aeróbios. Isso faz com que esses micro-organismos produzam menos energia, o que explica seu crescimento ser mais lento que o dos aeróbios.
Organismos fermentadores
Não há o ciclo de Krebs nem a cadeia de transporte de elétrons. Grande parte da energia fica na estrutura da molécula final (álcool ou lactato), gerando somente uma ou duas moléculas de ATP.
· Fermentação lática
Os gêneros Streptococcus e Lactobacillus realizam a fermentação lática, utilizando NADH para reduzir duas moléculas de ácido pirúvico a duas de ácido lático. Como só produzem ácido lático, eles são denominados homoláticos. São esses micro-organismos que deterioram os alimentos, mas eles também geram o iogurte a partir do leite e outros alimentos comercializados pela indústria alimentícia.
· Fermentação alcoólica
Já a produz duas moléculas de acetaldeído e duas de CO2 do ácido pirúvico. O acetaldeído vai dar origem ao etanol. Dois exemplos: a levedura Saccharomyces cervisae, que serve para a produção de álcool e bebidas, e o CO2, para o crescimento do pão. Segundo bons padeiros italianos, a lievitazione (fermentação do pão) deve levar no mínimo oito horas. Repare como a massa dobra de tamanho, ficando bem fofa e volumosa. A fermentação, há muito tempo, é estudada e controlada. Exemplos: seleção de uvas, tempo de fermentação  dos vinhos 5 e extrato de malte para as cervejas.
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Fonte: Shutterstock
Características dos Micro-organismos
Micro-organismos são classificados de acordo com:
1) Fonte de energia:
1
Fototróficos
Fonte primária de energia é a luz.2
Quimiotróficos
Utilizam compostos orgânicos e inorgânicos que serão reduzidos.
2) Fonte de carbono:
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Autotróficos
Heterotróficos ou organotróficos
Dependem de outros seres para obter carbono.
São todos os animais, a maioria dos fungos, os protozoários e as bactérias.
A maioria é patogênica para o homem.
A combinação dessas duas classificações (fonte de energia e fonte de carbono) dá origem a quatro seres vivos:
· Fotoautotróficos
 
· Fotoheterotróficos
 
· Quimioautotróficos
 
· Quimioheterotróficos
3) Temperatura
Fator determinante para o crescimento de micro-organismos, e todos possuem uma temperatura mínima, ótima e máxima.
Temperatura mínima que funciona como barreira: abaixo dela, não é possível ele se dividir. Já a temperatura máxima acabaria desnaturando suas proteínas, levando o micro-organismo à morte.
 Fonte: Shutterstock.
HÁ EXCEÇÕES
Existem micro-organismos adaptados para viver em ambientes que a maioria dos seres vivos não suportaria. São os micro-organismos extremófilos. Eles vivem, por exemplo, em zonas vulcânicas ou hidrotermais marinhas do planeta.
Vamos conhece-los?
Temperaturas baixas
· Psicrófilos 6: crescem a 4 °C ;
· Psicrotolerantes: podem crescer em temperaturas de 0 °C.
Comentário
Ambos podem crescer em ambientes refrigerados sendo responsáveis pela deterioração da carne, frango e peixe.
Temperaturas mais elevadas
· Mesófilos: crescem entre 25 e 40 °C 7. Estão os microrganismos mais comuns;
· Termófilos: são os que habitam o solo e águas termais com temperatura ótima entre 50 e 60 °C.
· Termófilos extremos, ou hipertermófilos: temperatura ainda mais elevada, próxima a 80ºC, como as arquibactérias. Habitam as águas quentes ricas em enxofre perto do vulcão.
 Parque Nacional de Yellowstone | Fonte: Wikipedia
Isolada de um gêiser no parque nacional Yellowstone, nos Estados Unidos, a bactéria Thermus aquaticus revolucionou a biotecnologia, fornecendo a enzima polimerase, que não desnatura nas etapas da técnica chamada de reação em cadeia da polimerase (PCR).
4) PH
O pH é uma escala logarítmica da concentração de H+ livres. Seu excesso interfere na estrutura das proteínas, desnaturando-as 8. Por isso, ele é um fator químico importante de ser observado nos meios de cultivo para células eucarióticas e procarióticas.
A maioria dos micro-organismos cresce em ambientes numa faixa de pH que varia entre 6,5 e 7,5.
Vamos ver a classificação dos micro-organismo de acordo com a taxa de PH?
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Acidófilos
Acidófilos obrigatórios
Acidófilos extremos
Neutrófilos
Alcalinófilos
A indústria utiliza as lipases e proteases produzidas por eles para sabão em pó. Já deve estar reconhecendo na prateleira do supermercado aquela marca pioneira nesse uso, não é?
Outras formas de crescimento
- Sal
Halófilos são micro-organismos que crescem bem na água do mar, rica em cloreto de sódio. Eles dividem-se em:
· Halófilos moderados (concentração de NaCl varia entre 7 a 15%);
· Halófilos discretos (1 a 6 % de NaCl);
· Halófilos extremos (concentração de 15 a 30%);
Atenção
Existem também os halotolerantes, micro-organismos que podem viver com certa redução de moléculas de água.
- Açúcar
Micro-organismos que vivem em ambientes ricos em açúcar são chamados de osmófilos.
- Ambiente seco
Organismos xerófilos são aqueles que vivem em ambientes extremamente secos por falta de água.
- Oxigênio
Já sabemos que alguns utilizam o oxigênio como aceptor final na respiração celular para a produção de ATP, enquanto outros micro-organismos preferem outro tipo de aceptor final.
Na realidade, esta classificação (utilizar ou não o oxigênio) seria muito simples frente à enorme diversidade de organismos no nosso planeta. Por isso mesmo, existe uma escala de utilização de oxigênio que divide os micro-organismos em:
 
· Microaerófilo (sobrevive com pouco oxigênio);
· Aeróbio facultativo (fermenta sem oxigênio. Exemplos: Escherichia coli e leveduras);
· Tolerante.
Atenção
Os micro-organismos chamados de aeróbios crescem em ambiente com grande tensão de oxigênio, algo em torno de 21%. No entanto, como o oxigênio é pouco solúvel, alguns micro-organismos se adaptaram para fazer a fermentação quando o oxigênio não estiver disponível. Por outro lado, os anaeróbios obrigatórios não crescem se o oxigênio estiver presente, pois ele é considerado toxico. É o caso dos gêneros Clostridium e Botulinum, formadores de endósporos.
A capacidade de sobreviver na presença de oxigênio depende da presença de algumas enzimas que processam os radicais superóxidos (O2-) ou ânions superóxidos do metabolismo do oxigênio. Do ponto de vista evolutivo, a presença das enzimas superóxido dismutase e catalase garantiu a sobrevivência de todos os seres vivos aeróbios no nosso planeta. Veja as reações a seguir:
Repare que o oxigênio molecular reage com elétrons, produzindo o ânion superóxido (O-2). A presença do elétron não pareado é tóxico porque ele é capaz de interagir com elétrons de outro elemento químico, alterando proteínas e outros alvos celulares. Assim, a ação da enzima superóxido dismutase devolve o oxigênio molecular, embora também produza o peróxido de hidrogênio. Além disso, a enzima catalase transforma H2O2 em produtos que serão aproveitados pela bactéria.
Exemplo
O teste da catalase é um teste bioquímico muito comum no laboratório de bacteriologia. Mesmo sem conhecê-lo, você já deve ter observado surgirem bolhas na pele com feridas ao aplicarmos água oxigenada no local. Essas bolhas são do oxigênio liberado pela ação da catalase.
Portanto, micro-organismos anaeróbios obrigatórios não possuem esse sistema detox, enquanto anaeróbios aerotolerantes possuem a enzima superóxido dismutase.
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Fonte: Shutterstock
Macronutrientes para o crescimento dos micro-organismos
Para crescer os microrganismos necessitam em primeiro lugar de quantidades de água e macronutrientes.
O carbono é considerado um dos macronutrientes mais importante. Sendo utilizado para a síntese de proteínas, açúcares e lipídeos.
Além do carbono, os micro-organismos utilizam o nitrogênio para a síntese de DNA e RNA, aminoácidos e todos os nucleotídeos, ATP, GTP, UTP e CTP. Esse macronutriente é recuperado da atmosfera pelos microrganismos presentes no solo, os chamados fixadores de nitrogênio associados a raízes de plantas.
O fósforo também é necessário para a síntese de ácidos nucléicos, bases nitrogenadas e nucleosídeos. E o enxofre é utilizado para os aminoácidos cisteína e metionina.
Outras exigências para o crescimento são os elementos traço como ferro, zinco, manganês, magnésio, cobalto, cloro, sódio e cobre que atuam como coenzimas e cofatores igualmente em todos os seres vivos e são necessários em baixa concentração.
Os micronutrientes são fatores de crescimento pois são importantes para a composição de várias proteínas, estruturas celulares entre outras funções celulares. A exigência desses fatores varia muito, e em alguns microrganismos, como os Lactobacillus, as concentrações são até maiores que em humanos.
A partir de agora estudaremos as fases de crescimento em uma população de bactérias, verificando todas as condições necessárias para uma bactéria crescer.
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Fonte: Shutterstock
Crescimento e controle de bactérias
No laboratório, quando um inóculo microbiano for semeado em um meio de cultura específico, ocorrerá inicialmente um período de adaptação.
 Em seguida, a população irá realizar múltiplas divisões até a redução dos nutrientes tornar impossível seu crescimento, levando-a à morte. Essas etapas ou fases de crescimento microbiano são divididas em:
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Lag
Log (ou exponencial)
Estacionária
Declínio
Se for crescente, a situação descrita no item acima leva à morte da população de bactérias quando todos os recursos forem consumidos.
Observe o gráfico a seguir:
Perceba no gráfico da fugira, o aumento dos valores de densidade ótica à direita. De um valor aproximado de 0,13 de turbidez, a fase exponencial eleva o valor em seis vezes. A medida da turbidezé um recurso laboratorial de fácil verificação do crescimento de bactérias em meio líquido. Ao crescerem, as bactérias tornam os frascos mais turvos; com isso, a luz atravessa com menos intensidade do que antes, fornecendo os valores de densidade ótica. A curva de crescimento só poderá ser observada em experiência se não houver nenhuma interferência. Exemplos: repor os nutrientes consumidos ou acertar o pH do meio de cultura.
 Curva de crescimento típica de uma população de bactérias. | Fonte: (MADIGAN et al., 2016)
Diante de tantos micro-organismos presentes no ambiente, é muito importante controlar o crescimento deles utilizando agentes físicos e químicos. Eles podem atuar eliminando totalmente a população microbiana ou impedindo o seu crescimento.
Exemplo
Para controle de populações microbianas há algumas ações que podemos utilizar. Como por exemplo:
Controle físico: como: uso de chama em objetos contaminados, calor seco e úmido, radiações gama e ultravioleta e filtração.
Controle químico: álcool, fenóis, detergentes e agentes oxidantes.
Nesta aula, você aprendeu sobre os tipos de metabolismo dos principais grupos microbianos. A importância desse conhecimento reside em sua aplicação em vários processos industriais, como a biotecnologia.
Atividade
1. Com relação ao metabolismo de seres vivos, assinale a opção que represente, respectivamente, a síntese de moléculas complexas a partir de formas mais simples e a construção das moléculas complexas:
a)  Anabolismo e catabolismo.
b) Metabolismo aeróbio e anaeróbio.
c) Fase log e declínio.
d) Catabolismo e anabolismo.
e) Fase lag e log.
Gabarito comentado
Parabéns! Você acertou!
A resposta correta é a letra (a). Nas vias metabólicas anabólicas, são realizadas sínteses de compostos orgânicos mais complexos, enquanto nas reações catabólicas há a degradação de moléculas complexas em intermediárias, com liberação de energia.
2. Micro-organismos aeróbios toleram a presença de oxigênio porque possuem uma enzima chamada:
a) ATPase
b) NADH
c) Oxigenase
d) Superóxido dismutase.
e) Cadeia transportadora de elétrons.
Gabarito comentado
Parabéns! Você acertou!
A resposta correta é a letra (d). O oxigênio molecular reage com elétrons, produzindo um composto tóxico superóxido. A enzima superóxido dismutase o transforma em H2O2, enquanto a catalase devolve o oxigênio molecular ao ambiente.
3. Em relação às condições de temperatura para crescimento, as temperaturas elevadas normalmente levam a (à):
a) Taxas de crescimento mais elevado.
c) Um estado de equilíbrio.
d) Morte da bactéria.
d) Morte da bactéria.
e) Situações específicas dependendo da espécie.
Gabarito comentado
Parabéns! Você acertou!
A resposta correta é a letra (e). As bactérias extremófilas possuem um metabolismo compatível com elevadas temperaturas, o que significa crescimento e divisão. Isso quer dizer que não podemos afirmar que todas as bactérias irão reagir do mesmo modo.