Microbiologia: estrutura e metabolismo das bactérias

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ESTRUTURA E METABOLISMO DAS BACTÉRIAS
ESTRUTURAS EXTERNAS À PAREDE CELULAR BACTERIANA
Dentre as possíveis estruturas que podem estar externas à PC, encontram-se:
glicocálice, flagelos, filamentos axiais, as fímbrias e os pili.
GLICOCÁLICE
A palavra, puramente, significa revestimento de açúcar. Termo geral para
substâncias que envolvem a célula.
Bactérias: é um polímero viscoso e gelatinoso, situado externamente à parede
celular. Sua composição é feita de polissacarídeo, polipeptídeo ou ambos. Sua
composição química varia amplamente entre as espécies.
● Em grande parte das bactérias é sintetizado dentro da célula e secretado
para a superfície celular.
● Se é organizado e está firmemente aderido à parede celular, o glicocálice
é descrito como cápsula.
● Se não está organizado e está fracamente aderido à parede celular, é
denominado como camada limosa.
● Importante componente dos biofilmes bacterianos: auxilia as células
em um biofilme a fixarem-se ao seu ambiente-alvo e umas às outras;
nesse contexto, é denominado como substância polimérica extracelular
(SPE).
○ Protege as células dentro do glicocálice;
○ Facilita a comunicação entre as células;
○ Permite a sobrevivência celular pela fixação a várias superfícies
em seu ambiente natural;
IMPORTANTE!!
Em algumas espécies, as cápsulas são importantes para determinar a virulência
de determinada bactéria (grau em que um patógeno causa doença).
● As cápsulas protegem as bactérias contra a fagocitose pelas células
imunes. Exemplo: pneumococos pneumoniae; todas as bactérias dessa
espécie são protegidas por uma cápsula, e as bactérias não
encapsuladas não causam a doença, pois são rapidamente fagocitadas.
● Há espécies (S. mutans) que utilizam sua cápsula como fonte de
nutrição, degradando-a e utilizando os açúcares como fonte de energia.
● V. colerae produz um glicocálice que auxilia na sua adesão as células do
intestino delgado.
● O glicocálice também pode proteger uma célula de desidratação, e sua
viscosidade pode inibir o movimento dos nutrientes para fora da célula.
FLAGELOS
Os flagelos são longos apêndices filamentosos que realizam a propulsão da
bactéria.
Classificação das bactérias: 1. Atríquias (sem projeções/flagelos)
2. Flageladas
> Os flagelos podem ser:
● Peritríquios (distribuídos ao longo da célula)
● Polares (em uma ou ambas as extremidades da célula)
○ Monotríquios: um único flagelo no polo da célula;
○ Lofotríquios: um tufo de flagelos saindo do polo da célula;
○ Anfitríquios: flagelos em ambos os polos da célula;
> Estrutura do flagelo:
1. Filamento: região mais externa; diâmetro constante e contém proteína
globular flagelina (grosseiramente esférica); na maioria das bactérias, os
filamentos não são recobertos por uma membrana ou bainha, como nas
células eucarióticas.
2. Gancho: região ligeiramente mais larga, constitui-se de uma proteína
diferente.
3. Corpo basal: aconcora o flagelo à MP e à PC.
ESTRUTURA E METABOLISMO DAS BACTÉRIAS
O corpo basal é composto de uma pequena haste central inserida em uma série
de anéis. As bactérias gram- contêm dois pares de anéis; o par externo está
ancorado a várias porções da PC, e o par interno está ancorado à MP. Nas
bactérias gram+, somente o par interno está presente.
● Os flagelos das células eucariotas são mais complexos que os das
procariotas.
Flagelo procariótico
Estrutura helicoidal semirrígida que move a célula pela rotação do corpo basal. A
rotação pode ter sentido horário ou anti-horário em torno de seu eixo longo.
● À medida que os flagelos giram, formam um feixe que empurra o líquido
circundante e propele a bactéria.
● Dependem de geração contínua de energia pela bactéria;
● Vários padrões de motilidade: alterar a velocidade e direção dos
flagelos;
○ Longos períodos de movimento: “corrida” ou “nado”
○ Interrupção de movimento: “desvio” > inversão da rotação
● Movimento bacteriano para perto ou para longe: taxia
○ Quimiotaxia
○ Fototaxia
● Sinal quimiotático positivo (atraente): movem-se em direção ao
estímulo, com muitas corridas e poucos desvios.
● Sinal quimiotático negativo (repelente): aumento de desvios; move-se
para longe do estímulo.
FILAMENTOS AXIAIS
As espiroquetas são um grupo de bactérias que possuem estrutura e motilidade
exclusivas. Uma das espiroquetas mais conhecidas é o Treponema pallidum, o
agente causador da sífilis.
> Constituição: feixe de fibrilas que se originam nas extremidades das células,
sob uma bainha externa, e fazem uma espiral em torno da célula.
● Ancorados em uma das extremidades da espiroqueta;
● Constituição similar aos flagelos;
● Movimento de “saca-rolhas”
FÍMBRIAS E PILI
Os pili são estruturas semelhantes a pelos, mais curtos, retos e finos que os
flagelos. Essas estruturas são constituídas de uma proteína denominada pilina,
distribuídas de modo helicoidal em torno de um eixo central.
● Fímbrias: podem ocorrer nos polos da célula bacteriana ou estar em
toda a superfície da célula. Variam em número, de algumas unidades a
muitas centenas por célula. Possuem tendência a se aderirem umas às
outras e às superfícies (logo, estão envolvidas na formação de biofilmes
e outros agregados na superfície de líquidos, vidros e pedras). As
fímbrias também auxiliam na adesão da bactéria às superfícies epiteliais
do corpo.
● Os pili: normalmente são mais longos que as fímbrias, e há apenas um
ou dois por célula. Estão envolvidos na motilidade celular e na
transferência de DNA. Em um tipo de motilidade, chamada de
motilidade pulsante > movimentos curtos, abruptos e intermitentes. O
outro tipo de motilidade associada aos pili é a motilidade por
deslizamento, o movimento suave de deslizamento das mixobactérias >
fornece uma maneira para os micróbios viajarem nos ambientes com
baixo conteúdo de água, como os biofilmes e o solo.
○ Alguns são utilizados para agregar bactérias e facilitar a
transferência de DNA entre elas, um processo chamado de
conjugação. O DNA compartilhado pode adicionar uma nova
função à célula receptora, como a resistência a um antibiótico
ou a habilidade de degradar o seu meio com mais eficiência.
ESTRUTURA E METABOLISMO DAS BACTÉRIAS
Parede celular bacteriana
Estrutura complexa e semirrígida responsável pela forma da célula.
Principal função: proteger a célula de uma possível ruptura, quando a pressão da
água dentro das células é maior que fora dela.
Outras funções: ajuda a manter a forma da bactéria e serve como ponto de
ancoragem para os flagelos.
● À medida que o volume de uma célula aumenta, sua MP e PC se
estendem, conforme o necessário.
● Clínica: a PC contribui para a capacidade de algumas espécies causarem
doenças; local de ação de alguns antibióticos.
● Composição química: diferencia os principais tipos de bactérias.
Composição e características
- Rede macromolecular: peptideoglicano, isoladamente ou com outras
substâncias. O peptidoglicano é um dissacarídeo repetitivo, ligado por
polipeptídeos; a porção dissacarídica é composta por monossacarídeos,
denominados N-acetilglicosamina (NAG), e ácido N-acetilmurâmico
(NAM), que estão relacionados à glicose.
- Ponte cruzada peptídica;
- A penicilina interfere com a interligação final das fileiras de
peptideoglicanos através das pontes cruzadas peptidicas; por isso, a PC
torna-se fraca e facilita o rompimento celular (lise).
Parede celular da célula gram-positiva
● Muitas camadas de peptideoglicano > espessa e rígida.
● Espaço celular entre a PC e a MP: espaço periplasmático
○ Contém a camada granular, constituída de ácido lipoteicoico.
● Ácidos teicoico: álcool e fosfato. Podem se ligar e regular o movimento
dos cátions, para dentro e fora da célula; e assumir papel no
crescimento celular, impedindo a ruptura da parede e possível lise
celular. Fornecem parte da especificidade antigênica da parede, e
tornam possível a identificação de bactérias gram+.
1. Ácido lipoteicoico - atravessa a camada de peptideoglicano e está
ligado a MP.
2. Ácido teicoico da parede - ligado a camada de peptideoglicano.Parede celular da célula gram-negativa
● Consiste em poucas camadas de peptideoglicanos e uma membrana
externa.
● O peptidoglicano está ligado a lipoproteínas na membrana externa e
está localizado no periplasma (fluido semelhante a um gel no espaço
periplasmático de bactérias gram-), a região entre a MP e a ME.
○ Alta [] de enzimas de degradação e proteínas de transporte;
● Não contém ácido teicoico.
● São mais suscetíveis a rompimento mecânico.
Membrana externa
Consiste em lipopolissacarídeos (LPS), lipoproteinas e fosfolipídios.
Funções especializadas:
● Forte carga negativa: importante na evasão da fagocitose e nas ações do
complemento;
● Barreira contra a ação de detergentes, metais pesados, sais biliares,
corantes, antibióticos (penicilina), enzimas digestivas (lizosima).
● A barreira não impede a passagem de algumas substâncias, pois a célula
deve receber nutrientes para garantir o metabolismo celular.
- Parte da permeabilidade se deve a presença de porinas
(canais): passagem de nucleotídeos, dissacarídeo, peptídeos,
aminoácidos, vitamina B12 e ferro.
● O LPS da membrana externa é uma grande molécula complexa que
contém lipídios e carboidratos, consistindo em três componentes:
ESTRUTURA E METABOLISMO DAS BACTÉRIAS
1. Lipídio A: porção lipídica do LPS, embebido na parede superior da ME. Quando
bactérias gram- morrem, liberam o lipídeo A que funciona como uma endotoxina.
É responsável pelos sintomas associados a infecções por bactérias
gram-negativas, como febre, dilatação de vasos sanguíneos, choque e formação
de coágulos sanguíneos.
2. Cerne polissacarídeo: ligado ao peptídeo A e contém açúcares incomuns.
Papel estrutural - fornecer estabilidade.
3. Polissacarídeo O: se estende para fora do cerne polissacarídico e é composto
por moléculas de açúcar. Funciona como antígeno, sendo útil para diferenciar
espécies de bactérias gram-negativas (esse papel é comparável ao dos ácidos
teicoicos nas células gram-positivas).
Mecanismo de coloração de Gram
O mecanismo é baseado nas diferenças das estruturas das paredes celulares
gram-positivas e gram-negativas e em como cada uma delas reage a vários
reagentes.
➢ Cristal violeta, o corante primário, cora as células gram+ e gram- de
púrpura, pois penetra no citoplasma de ambos os tipos celulares.
➢ Quando o iodo (mordente) é aplicado, forma cristais com o corante, os
quais são muito grandes para escapar pela parede celular.
➢ A aplicação de álcool desidrata o peptideoglicano das células
gram-positivas para torná-la mais impermeável ao cristal violeta-iodo.
○ O efeito nas células gram-negativas é bem diferente; o álcool
dissolve a membrana externa das células gram-negativas,
deixando também pequenos buracos na fina camada de
peptideoglicano, pelos quais o cristal violeta-iodo se difunde.
○ Como as bactérias gram-negativas tornam-se incolores após a
lavagem com álcool, a adição de safranina (o contra- corante)
deixa as células cor-de-rosa ou vermelhas. A safranina fornece
a cor contrastante à coloração primária (cristal violeta).
➢ Embora as células gram-positivas e gram-negativas absorvam a
safranina, a coloração cor-de-rosa ou vermelha da safranina é
mascarada pelo corante roxo-escuro, previamente absorvido pelas
células gram-positivas.
ESTRUTURA E METABOLISMO DAS BACTÉRIAS
PAREDES CELULARES ATÍPICAS
Algumas células procariotas não possuem paredes ou têm pouco material nela.
● Estes incluem membros do gênero Mycoplasma e organismos
relacionados.
● Os micoplasmas são as menores bactérias conhecidas que podem
crescer e se reproduzir fora de células vivas de hospedeiros. Devido ao
seu tamanho e por não terem paredes celulares, atravessam a maioria
dos filtros bacterianos, tendo sido inicialmente confundidos com vírus.
○ Suas MP são únicas entre as bactérias por possuírem lipídeos
denominados esteróis, os quais podem protegê-las da lise.
● As arqueias podem não ter paredes ou ter paredes incomuns,
compostas por polissacarídeos e proteínas, mas não de peptidoglicano.
No entanto, contém uma substância denominada pseudomureína. A
pseudomureína contém ácido N-acetiltalosaminurônico, em vez de
NAM, e não tem os d-aminoácidos, encontrados nas paredes celulares
bacterianas. As arqueias geralmente não podem ser coradas pelo
método de Gram, mas aparentam ser gram- por não conterem
peptideoglicano.
PAREDES ACIDORRESISTENTES
A coloração acidorresistente é utilizada na identificação de todas as bactérias do
gênero Mycobacterium e espécies patogênicas de Nocardia. Essas bactérias
contêm alta concentração (60%) de um lipídio céreo hidrofóbico (ácido micólico)
em sua parede que previne a entrada dos corantes, incluindo os utilizados na
coloração de Gram.
● O ácido micólico forma uma parede externa a uma camada fina de
peptidoglicano. Estes, são unidos por um polissacarídeo. A parede
hidrofóbica cérea das células induz as culturas de Mycobacterium a se
agregarem e a se ligarem às paredes do frasco de cultura.
DANO À PAREDE CELULAR
● Lisozima (suor, suco gástrico, lágrimas, muco): catalisa a hidrólise das
pontes entre os açúcares nos dissacarídeos repetitivos do “esqueleto”
de peptidoglicano.
○ Essa ação é análoga a cortar os cabos de aço que suportam
uma ponte: a parede celular gram+ é destruída quase
completamente pela lisozima. Se a lise não ocorrer, essa célula
é denominada protoplasto.
○ Em células gram-, normalmente a parede não é destruída na
mesma extensão que em células gram-positivas; parte da
membrana externa também permanece. Nesse caso, o
conteúdo celular, a MP e a camada restante da parede externa
são denominados esferoplasto, também uma estrutura
esférica.
MEMBRANA PLASMÁTICA
Estrutura fina, no interior da parede celular, que reveste o conteúdo
citoplasmático. Constituída principalmente de fosfolipídios e proteínas. Como
não possuem esteróis (colesterol) como as membranas eucarísticas, são menos
rígidas.
● Bicamada lipídica (fosfolipídeos)
● Proteínas periféricas
● Proteínas integrais
Obs!!
O vírus influenza e as toxinas que causam o cólera e o botulismo penetram em
suas células-alvo, inicialmente, através da ligação às glicoproteínas contidas em
suas membranas plasmáticas.
● A membrana deve ser tão viscosa quanto o azeite de oliva para permitir
que as proteínas da membrana se movam de modo livre o suficiente
ESTRUTURA E METABOLISMO DAS BACTÉRIAS
para realizar suas funções, sem destruir a estrutura da membrana. Este
arranjo dinâmico dos fosfolipídeos e proteínas é chamado de modelo
do mosaico fluido.
Funções:
● Permeabilidade seletiva (macromoléculas, íons…)
● Digestão de nutrientes e síntese energética (enzimas capazes de
catalisar reações químicas que degradam nutrientes e produzem ATP).
● Em algumas células, é possível ver a presença de pigmentos e enzimas
envolvidos na fotossíntese (cromatoforos).
Destruição da MP por agente antimicrobiano
Como a MP é vital para a célula bacteriana, muitos agentes antimicrobianos
exercem seus efeitos neste sítio.
● Substâncias químicas que danificam a parede celular e, assim, expõem
indiretamente a membrana à lesão;
● Alguns compostos danificam especificamente as membranas
plasmáticas. Esses compostos incluem certos álcoois e compostos de
amônio quaternário, usados como desinfetantes. Através da degradação
dos fosfolipídeos de membrana, um grupo de antibióticos, conhecido
como polimixinas, produz o vazamento do conteúdo intracelular e a
posterior morte celular.
Citoplasma
Substância celular localizada no interior da membrana plasmática.
● Composto em 80% de água, contém proteínas (enzimas,
principalmente), carboidratos, lipídeos, íons inorgânicos e muitos
compostos de baixo peso molecular.
● É espesso, aquoso, semitransparente e elástico.
● As principais estruturas do citoplasma dos procariotos são: um
nucleóide (contendo DNA), as partículas, denominadas ribossomos, e os
depósitos de reserva, denominados inclusões.
● Citoesqueleto similar aos eucariotos. Atua na divisão celular, mantém a
forma da célula,crescimento, movimentação do DNA, direcionamento
de proteínas e alinhamento de organelas.
NUCLEÓIDE
Geralmente contém uma única molécula longa e contínua de DNA de dupla
hélice, arranjada de forma circular: cromossomo bacteriano.
● Não são circundados por envelope nuclear (membrana) e não incluem
histonas.
● Pode ser esférico, alongado ou em forma de halteres.
● Bactérias de crescimento ativo: 20% do volume celular é preenchido
pelo DNA.
● O cromossomo está fixo a MP. Por existir essa conexão, acredita-se que
proteínas na membrana plasmática sejam responsáveis pela replicação
do DNA e pela segregação dos novos cromossomos para as
células-filhas, na divisão celular.
> Pequenas moléculas de DNA dupla hélice: plasmídeos.
● Replicam-se independentemente do cromossomo bacteriano.
● Podem estar relacionados com as proteínas da MP.
● Podem ser perdidos ou adquiridos sem causar dano à célula.
● Vantagem para as células: podem transportar genes para atividades
como resistência aos antibióticos, tolerância a metais tóxicos, produção
de toxinas e síntese de enzimas. Eles podem ser transferidos de uma
bactéria para outra.
RIBOSSOMOS
O citoplasma de uma célula procariótica contém dezenas de milhares de
ribossomos, o que confere ao citoplasma uma aparência granular.
ESTRUTURA E METABOLISMO DAS BACTÉRIAS
● Os ribossomos procarióticos (70S) 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 (80S).
● Vários antibióticos atuam inibindo a síntese proteica nos ribossomos
procarióticos. Antibióticos, como a estreptomicina e a gentamicina,
fixam-se à subunidade 30S e interferem com a síntese proteica.
○ A eritromicina e o cloranfenicol interferem na síntese proteica
pela fixação à subunidade 50S.
● Devido às diferenças nos ribossomos procarióticos e eucarióticos, a
célula microbiana pode ser destruída pelo antibiótico, ao passo que a
célula do hospedeiro eucariótico permanece intacta.
INCLUSÕES
São “reservas” no citoplasma bacteriano.
● As células podem acumular certos nutrientes quando eles são
abundantes e usá-los quando estão escassos no ambiente.
● Evidências sugerem que macromoléculas concentradas nas inclusões
evitam o aumento da pressão osmótica que ocorreria se as moléculas
estivessem dispersas no citoplasma.
● Algumas inclusões são comuns a uma ampla variedade de bactérias, ao
passo que outras são limitadas a um número pequeno de espécies,
servindo, assim, como base para a identificação.
Grânulos metacromáticos (velutina)
- Grandes inclusões
- Geralmente coram-se com corantes azuis, como o azul de metileno.
- Volutina: reserva de fosfato inorgânico que pode ser usada na síntese de
ATP.
- Presentes em algas, fungos, protozoários e bactérias.
- Característicos do agente Corynebacterium diftheriae - importância
clínica!!
Grânulos polissacarídicos
Compostos de glicogênio e amido;
- Corado com iodo: glicogênio (marrom-avermelhado); amido (azul);
Inclusões lipídicas
Aparecem em várias espécies de Mycobacterium, Azotobacter, Bacillus, Spirillum
e outros gêneros.
- Um material de armazenamento lipídico comum, exclusivo das
bactérias, é o polímero ácido poli- B-hidroxibutírico.
- Coradas com corantes lipossolúveis (corantes de Sudão).
Grânulos de Enxofre
Reserva de energia.
Carboxissomos
Contêm a enzima ribulose-1,5-difosfato-carboxilase. As bactérias fotossintéticas
que utilizam CO2 como sua única fonte de carbono requerem essa enzima para a
fixação do dióxido de carbono.
- Presentes nas bactérias nitrificantes, as cianobactérias e os
acidithiobacillus.
Vacúolo de gás
Cavidades ocas encontradas em muitos procariotos aquáticos, incluindo as
cianobactérias, as bactérias fotossintéticas anoxigênicas e as halobactérias.
- Os vacúolos de gás mantêm a flutuação, a fim de que as células possam
permanecer na profundidade apropriada de água para receberem
quantidades suficientes de oxigênio, luz e nutrientes.
Magnetossomos
São inclusões de óxido de ferro (Fe3O4) circundadas por invaginações da
membrana plasmática.
ESTRUTURA E METABOLISMO DAS BACTÉRIAS
- São formados por várias bactérias gram-, como Magnetospirillum
magnetotacticum, e atuam como ímãs.
- As bactérias podem usar os mag- netossomos para se moverem, para
baixo, até atingirem um local de fixação aceitável.
- Pesquisadores especulam que os magnetossomos podem proteger a
célula contra o acúmulo de peróxido de hidrogênio.
ENDÓSPOROS
Quando os nutrientes essenciais se esgotam, determinadas bactérias gram+,
como as do gênero Clostridium e Bacillus, formam células “dormentes”
especializadas - os endósporos.
● São células desidratadas, altamente duráveis, com paredes espessas e
camadas adicionais.
● Exclusivos de bactérias.
● Internamente à membrana celular bacteriana.
● Podem sobreviver a condições ambientais extremas/exposição a agentes
químicos tóxicos e radiação.
Esporulação
Células vegetativas de bactérias que formam endósporos iniciam a esporulação
quando um nutriente essencial, como uma fonte de carbono ou nitrogênio,
torna-se escassa ou indisponível. Não é um processo reprodutivo!!
1. Cromossomo bacteriano recém replicado e uma pequena porção
citoplasmática são isolados por invaginação da MP (septo do esporo).
2. Septo do esporo torna-se uma membrana dupla que circunda o
cromossomo e o citoplasma: pré-esporo.
3. Espessa capa de proteína forma-se em torno da membrana externa:
resistência!!
4. Célula original é degradada e o endósporo é liberado.
● Quando o endósporo amadurece, a parede celular vegetativa se rompe
(lise), matando a célula, e o endósporo é liberado.
● Os endósporos não realizam reações metabólicas.
● Grande quantidade de um ácido orgânico, chamado de ácido
dipicolínico (ADP), acompanhado por um grande número de íons cálcio.
Evidências indicam que o ADP protege o DNA do endósporo contra
danos.
● O cerne altamente desidratado do endósporo contém somente DNA,
pequenas quantidades de RNA, ribossomos, enzimas e algumas
moléculas pequenas importantes. Esses componentes celulares são
essenciais para retomar posteriormente o metabolismo.
● Podem permanecer dormentes por milhares de anos.
● A germinação é desencadeada pelo calor alto, como aquele utilizado na
produção de conservas, ou por pequenas moléculas, chamadas de
germinantes. Os germinantes identificados até o presente momento são
a alanina e a inosina (nucleotídeos). Então, as enzimas do endósporo
rompem as camadas extras que o circundam, a água entra e o
metabolismo recomeça.