Baixe Apostila de microbiologia e outras Resumos em PDF para Engenharia de Alimentos, somente na Docsity! Capítulo1. Introdução e importância da Microbiologia Em todas as questões humanas há um único fator dominante – o tempo. Para avançar ao futuro devemos olhar para trás, no passado. (ZIMAN, 1976). Nossas experiências com microrganismos. (quais microrganimos já tivemos infecções ou presenciamos em outro humano ou em nossos animais) Conceito de Microbiologia: estudo dos organismos microscópicos, da vida microscópica. O microrganismo é o objeto de estudo (morfologia, reprodução (genética), fisiologia, taxonomia e suas interações com o homem, animais, planta, e outros microrganismos. Por que estudar microbiologia? • Saúde dos humanos e animais. Menos de 1% dos microrganismos causam doenças. • Fotossíntese microbiana. • Decomposição de matéria orgânica, e resíduos industriais. • Microbiota autóctone. (1.1010 células humanas para 1.1011 microrganismos). • Produção de alimentos (capacidade bioquímica dos microrganismos). • Medicamentos (antibióticos). • Controle biológico. • Produção de vacinas • Engenharia genética (interferon, hormônio do crescimento). • Importância da microbiologia em outras áreas (Genética, Bioquímica, Ecologia, engenharia metalúrgica etc). • Importância na medicina veterinária. (Todas as disciplinas). • Microrganismos como modelos de estudos. (Rapidez, confiabilidade). • Biologia molecular, genoma humano. Principais grupos de microrganismos. (vírus, bactérias, algas, fungos, protozoários). –20 nm a 5mm. Histórico da microbiologia Bíblia- Deuteronômio, 13. Moises – lixo sólido enterrado. Passagens relam sobre a lepra e o isolamento dos doentes. 400 a.C. - Grécia- Médico Hipócrates- (transmissão por roupas e objetos). Historiador Tucídides- pessoas curadas podiam tratar de doentes com peste. Peste bubônica – 542 d.C., Mediterrâneo e todo Europa. Guetos judeus – menor incidência. 1665- Robert Hooke – microscópio Anton van Leewenhoek- visualizou os “animalículos” Meu Deus, que maravilhas existem em uma criatura tão pequena! (Leeuwenhoek). Conquistas no conhecimento das doenças A idéia da geração espontânea precisou ser refugada. “Talvez em alguns locais, vivam pequenos animais que não podem ser vistos a olho nu e que podem entrar pela boca e fossas nasais provocando grande desastres”. Marcos Varrão, cidadão romano e escritor, 100 a.C. “podem existir sementes de moléstias” Lucrécio, 55 a.c. • Originam de células mães x causas sobrenaturais ou processos putrefativos PAGE 1 (Tyndall - filtros de panos que impediam a passagem de moscas). • Microrganismos são causa e não conseqüência da fermentação. • Diversidade Bioquímica e unidade com processos dos seres macroscópicos. (Pasteur- frascos em boca de cisne para suco de uva- produção de vinho). Teoria microbiana da doença- teoria germinal Doença – falta ou perturbação da saúde. Pode ter o microrganismo como agente primário, secundário, agente oportunista (da microbiota normal). Pasteur, por volta de 1860, estudando uma doença em bicho da seda, provou que um protozoário causava a doença e sugeriu a seleção de larvas resistentes. Em 1840, Jacob Henle apresentou a teoria microbiana de doença. Robet Koch (1876) Estudou o sangue de cordeiros mortos com carbúnculo-visualizou bactérias (bastonetes). Separou a bactéria de outros microrganismo, inoculou em camundongos. Camundongos desenvolveram o carbúnculo. Bactérias visualizadas, provenientes dos camundongos eram semelhantes às inoculadas. 1880- Postulados de Koch 1. Microrganismos suspeitos devem sempre ser encontrados associados à doença. 2. Deve ser isolado em cultura ou cultivo puros. 3. Quando inoculado em cobaias susceptíveis, originam a mesma doença. 4. O mesmo microrganismo deve ser recuperado dos animais que adoeceram. *Há doenças causadas por mais de um microrganismo (diarréias, mastite, pneumonias). *Um microrganismo pode causar mais de uma doença e em hospedeiros diferentes (E. coli) *Nem sempre o microrganismo origina a doença: – ( inter-relações). Ambiente- Hospedeiro Microrganismo *Microrganismo pode não estar presente e causar a doença (Botulismo, Micotoxicoses). Microrganismos e alimentos Fontes de nutrientes para os microrganismos Agentes de deterioração Agentes patogênicos Oportunidades de contaminação Cereais Fungos • 0 0 1 F0 0 1 FRhizopus nigricans (pães). • Micotoxinas (ergotina, aflatoxina, tricotecenos) Bactérias 0 0 1 F0 0 1 F– Bacillus sp. (esporulados). Frutas e legumes Leveduras (Saccharoyces sp.) acidez – bactérias (Lactobacillus sp.) Bactérias comensais Pseudomonas flurescens, patógenas Salmonella sp. e Shigella sp.. Tomates, legumes- Fusarium sp. (moscas). Carnes (intestinos, couro, pele, fezes)—70 patógenos distintos. Inspeção médico veterinária dos animais X presença de microrganismos? Carnes refrigeradas- Fungos Rhizopus sp., Mucor sp., PAGE 1 1977- seqüência dos ribonucleotídeadeos do rRNA dos microrganismos (Três domínios) Arqueobactérias (ARCHAEA) , Eubactérias (BACTERIA) e Eucariotos (EUKARYA) - Vírus - classificados por suas características químicas e físicas (RNA, DNA), (simetria de proteínas der revestimento- capsídio), (Envelopados ou desnudos). Comitê internacional de taxomomia de vírus – Mais de 3000 vírus em 71 famílias – 21 (infectam vetebrados). Cada família possui seus gêneros Retroviridae – Lentivirus – Human immunodeficiency virus (HIV). Viróides- simples fragmento de RNA.. Prions- partículas infecciosas de natureza protéica. Chaves taxonômicas- Chaves dicotômicas 1 a Bactérias Gram positivas - vá para 2 1 b Bacérias não Gram positivas – vá para 3 2 a Forma esférica – Cocos Gram positivos 2 b Não esféricas - Vá para 4. Taxonomia numérica (maior número de características (bases fenéticas). Homologia genética- genoma e proteoma Composição de bases- Porcentagens de Timina-Adenina e Citosina-Guanina. Homo sapiens semelhante ao Bacillus subtilis? Seqüenciamento de DNA e RNA (PCR) DNA ribossomal (Genes das proteínas ribossomais) Problemas em taxonomia Bases filogêticas e evolutivas. Taxonomia precisa ser dinâmica. Referências: BLACK J.G, Microbiologia fundamentos e perspectivas. Capítulos 4, 9 e apêndice B2002) Capítulo 3. Estrutura e organização celular de microrganismos Virus; O marco fundamental na história da virologia corresponde ao momento em que foi descoberto por Stanley (1940) que o vírus do mosaico do tabaco podia ser cristalizado (assim como os sais inorgânicos e proteínas moleculares) e que os cristais inanimados, podiam produzir doença em plantas sadias. A controvérsia, de serem os vírus organismos vivos ou não, foi então novamente reanimada. Essa descoberta teve um grande impacto no campo das ciências biológicas em geral, da ciência médica, e dentro do próprio campo da bioquímica, onde os conhecimentos que se acumulam, sobre a estrutura viral, deram origem a uma nova área do conhecimento, a biologia molecular. Existem diferenças fundamentais entre os vírus e as células vivas, que foram enumeradas por Stainer e colaboradores (1969) que são: a) apresentam propriedades muito diferentes da unidade estrutural de um ser vivo, a célula; b) Enquanto o genoma celular é constituído por DNA e RNA, no genoma viral só se encontra um dos dois ácidos nucléicos; c) apresentam como constituintes orgânicos apenas ácido nucléico e proteína; d) podem conter uma ou algumas enzimas, porém seu complemento enzimático é insuficiente para reproduzir outro vírus, ou seja, o vírus não possui portanto, ao contrário da célula, sistema enzimático próprio; e) é sempre replicado exclusivamente a partir de seu material genético por uma célula; PAGE 1 f) o vírus finaliza seu processo de multiplicação por organização de seus constituintes sintetizado pela célula. Estas diferenças, e o fato de os vírus poderem ser cristalizados, sem perder o poder infeccioso, permite- nos, numa análise simplista, considerar os vírus como microrganismos de grande simplicidade ou moléculas de grande complexidade. Possuem tamanho reduzido de 20 nm (10-9 metro) a 250 nm, os vírus replicam seu material genético, que como todas as formas de vida, é composto por polímeros de ácidos nucléicos. Os vírus têm características em comum: São entidades parasitas intracelulares obrigatórios, são incapazes de crescer e reproduzir-se fora de uma célula viva, apresentam uma organização e composição estruturais características, além de um processo único de replicação. Para uma análise mais cuidadosa da estrutura e natureza dos vírus, é necessário um estudo mais detalhado em relação a caracterização dos vírus, e morfologia viral. 1. MORFOLOGIA VIRAL Com a descoberta da microscopia eletrônica, tornou-se possível estudar a morfologia dos vírus. As fotografias das imagens virais em microscopia eletrônica, revelaram suas formas, dimensões e estruturas internas, demonstrando que cada vírus possui características próprias. Cada partícula viral ou virion é constituída por cerne ou núcleo de ácido nucléico (DNA ou RNA, mas nunca ambos) recoberto por um invólucro protéico denominado cápside ou capsídio; o conjunto ácido nucléico/invólucro protéico constitui a nucleocápside ou nucleocapsídio. A cápside é formada por múltiplas subunidades denominadas capsômeros. Existem ainda nucleoproteínas que envolvem o DNA ou RNA viral, como uma capa. É proteção contra ataques das enzimas da célula infectada. Além delas alguns vírus carregam proteínas que ajudam na replicação. Alguns vírus possuem a nucleocápside envolvida por um envoltório, envelope ou invólucro de glicoproteínas e/ou lipídios. Os vírus sem esse envelope são denominados vírus nus, e aqueles que possuem esse envelope são denominados encapsulados ou envelopados. As espículas são constituídas de proteína, e são essas estruturas presentes nos vírus com envoltório que se ligam aos receptores expressos na superfície da célula, a forma dessas espículas e dos receptores é o que define que partes do corpo o vírus vai infectar. Estes vírus podem ser organizados segundo estruturas icosaédricos, helicoidais e de estrutura complexa: Tipos morfológicos: 1) Vírus Icosaédricos: Os capsômeros organizam-se em icosaédricos (20 faces triangulares equiláteras, 12 vértices, e 30 arestas), os capsômeros dos vértices de cada face são chamados “pentons” e os capsômeros das faces de “hexons” . Ex. poliemielite, adenovírus, herpesvírus. 2) Vírus Helicoidais ou Tubulares: Os capsômeros organizam-se segundo simetria do tipo helicoidal (vírus do mosaico do tabaco, da batata, vírus da influenza e caxumba), dispondo-se o ácido nucléico na parte interna das unidades protéicas, associado as mesmas. 3) Vírus Complexos: Possuem envelope e são geralmente pleomórficos, pois o envelope não é rígido. Exs. Esféricos (arbovírus; arboencefalites), paralelepípedos (poxvírus; varíola), da raiva e os bacteriófagos 1. Eubactérias (Resumo dos constituintes): Tamanho Forma Arranjo Estrutura citoplasmática Ribossomos 70S, Região nuclear, Plasmídio. Grânulos e vesículas - Cromatóforos PAGE 1 Membrana Celular - envolta por parede Funções: Espaço periplasmático (periplasma) Parede celular (cell wall) Peptídeo glicano – N-acetilglicosamina Ácido N-acetilmurâmico Tetrapeptídeos Gram + ácido teicóico Gram – LPS Álcool-ácido –resistentes Endósporos Flagelos Quimiotaxia Glicocálice Cápsula Camada limosa BACTÉRIAS Apresentam grande variedade de formas e tamanhos de acordo com o grupo a que pertencem. As formas mais comuns são os bacilos (formas alongadas), cocos (formas aproximadamente esféricas), vibriões (bacilos curvados) e espirilos e espiroquetas (formas espiraladas). Existem grupos de bactérias que formam longos filamentos de células unidas entre si, como acontece com espécies de cianobactérias e grupos que exibem morfologia ainda mais complexa. Variações morfológicas ocorrem dentro de cada grupo bacteriano. A morfologia é uma característica genética e as bacterianas são geralmente monomórficas, ou seja, mantêm sempre a mesma forma. Mutações genéticas e condições de cultivo podem alterar a morfologia original de forma definitiva ou transitória, respectivamente. Algumas poucas bactérias são pleomórficas como as micoplasmas, apresentando grande variação de forma. As bactérias podem ocorrer como células isoladas ou agrupadas em pares, tétrades, cadeias, grumos e outras tantas formas de agrupamentos como massas embutidas no interior de uma cápsula. Os diversos arranjos das células bacterianas são conseqüências da fisiologia celular. Algumas bactérias dividem-se de tal forma a formarem blocos, cadeias ou agregados. O tamanho das células bacterianas varia grandemente. A grande maioria tem dimensões que variam entre 1 e 5 µm. As menores bactérias conhecidas são as micoplasmas com 0,1 a 0,2 µm de diâmetro e o bacilo Francisella tularensis cujas dimensões variam de 0,2 a 0, 7 µm de comprimento por 0,2 µm de diâmetro, tamanhos próximos aos vírions da família Poxviridae. Dentre as maiores bactérias conhecidas estão o Bacillus anthracis com células variando de 3,0 a 10 µm de comprimento por 1,3 µm de diâmetro, a Metabacterium polyspora cujas células atingem de 10 a 60 µm de comprimento e as bactérias do gênero Epulopiscium que atingem 600 µm de comprimento por 100 µm de diâmetro. O primeiro passo no estudo da morfologia de células bacterianas é o emprego de corantes apropriados que permitem a visualização tanto de células inteiras quanto diferentes estruturas bacterianas tais como cápsulas, flagelos e esporos ao microscópio óptico. Uma das técnicas mais empregadas para a visualização de células inteiras e sua morfologia é a coloração de Gram. Os procariotos são os menores organismos e os mais simples estruturalmente. Em termos evolutivos, eles são também os mais antigos organismos da Terra (foram encontrados fósseis de cerca de 3,5 bilhões de anos). E, consistem de duas linhagens distintas: Bacteria (ou eubactéria) e Archea. PAGE 1 As paredes celulares das bactérias Gram-positivas são espessas, formadas por cerca de vinte camadas de peptidoglicano (20 a 40 nm de espessura) que responde por 50% ou mais do peso seco da célula (Figura 1). Apesar disso, essas paredes permitem a difusão de muitas moléculas. Embebidas na matriz de peptidoglicano dessas bactérias encontram-se pequenas quantidades de ácidos teicóicos. Ácido teicóico é um termo funcional para uma ampla variedade de diferentes polímeros contendo açúcares, fosfato e glicerol. Existem duas classes de ácidos teicóicos: o ácido lipoteicóico, embebido no peptidoglicano e ligado à membrana plasmática e o ácido teicóico associado somente ao peptidoglicano. Os ácidos teicóicos conferem carga negativa à superfície exterior da célula podendo ajudar no transporte de íons positivos para dentro e fora da célula. Essas substâncias em conjunto com proteínas presentes na superfície da parede celular são responsáveis pela determinação antigênica das bactérias Gram- positivas por diferirem entre distintas espécies e linhagens, servindo para a classificação sorológica e identificação dessas bactérias. Fragmentos de peptidoglicano e ácido lipoteicóico liberados durante infecções por bactérias Gram- positivas são responsáveis por manifestações clínicas tais como inflamação, febre, leucocitose, hipotensão, depressão, perda de apetite, insônia e artrite, reações estas causados por mediadores liberados pelas células do hospedeiro em resposta à exposição às células bacterianas e seus componentes. Bactérias Gram-negativas As paredes celulares das bactérias Gram-negativas são finas, formadas por uma a três camadas de peptidoglicano (2 a 15 nm de espessura) que responde por cerca de 10% ou mais do peso seco da célula (Figura 2). Em E. coli, em torno de 75% do peptidoglicano consiste de uma única camada e cerca de 25% consiste de três camadas. Cada camada tem cerca de 2,5 nm de espessura. Nas bactérias Gram-negativas, a parede celular situa-se dentro do espaço periplásmico. Tanto bactérias Gram-positivas como Gram-negativas podem, por mutação genética, perder a capacidade de sintetizar o peptidoglicano. Tais bactérias são denominadas formas-L. As figuras 1 e 2 são micrografias eletrônicas de transmissão da bactéria Gram-positiva Micrococcus sp e da bactéria Gram-negativa Neisseria gonorrhoeae, respectivamente, mostrando seções finas de ambas as bactérias. Na figura 1 nota-se a espessa parede celular (cw) envolvendo a membrana plasmática (cm) e na figura 2 observa-se a fina parede celular abaixo da cápsula. Em ambas as figuras observam-se os nucleóides (n). Membrana externa As bactérias Gram-negativas apresentam uma membrana externa que envolve a parede celular. Esta membrana tem uma estrutura incomum para membranas celulares por apresentar uma camada fosfolipídica – voltada para a parede celular – e uma camada superposta constituída de um lipopolissacarídio ou LPS. A porção lipídica do LPS está voltada para o interior da membrana externa. A porção polissacarídica consiste em um polissacarídio principal (constituído de açúcares de 6, 7 e 8 carbonos) e um polissacarídeo “O" (constituído de açúcares de seis carbonos) que se projeta da superfície da célula. Os açúcares nas cadeias polissacarídicas do LPS variam entre diferentes organismos e entre linhagens de uma mesma espécie de bactéria. O polissacarídeo “O” do LPS é um importante determinante antigênico, agrupando as bactérias Gram-negativas em diferentes sorogrupos "O". O polissacarídeo “O”, também denominado “antígeno O” ou antígeno somático, tem sido importante fator de determinação antigênica de linhagens patogênicas de E. coli. A porção lipídica – o lipídio A – apresenta um arcabouço diferente daquele dos fosfolipídios da membrana plasmática e o tipo de ácido graxo difere entre diferentes linhagens bacterianas. O LPS parece contribuir com a consistência da membrana externa. O LPS é tóxico e é denominado endotoxina. Fragmentos de LPS liberados durante infecções por bactérias Gram-negativas são responsáveis por manifestações clínicas análogas às causadas por fragmentos da parede celular de bactérias Gram-positivas. A membrana externa não contém as proteínas de transporte encontradas na membrana plasmática. Contudo, está repleta de amplos canais protéicos denominados porinas. A membrana externa contém receptores protéicos para nutrientes importantes como vitaminas, fosfatos e ferro. PAGE 1 A membrana externa provê uma barreira natural que protege a bactéria Gram-negativa contra agentes tais como detergentes, desinfetantes, corantes, determinados antibióticos e toxinas, está envolvida com a absorção de nutrientes e excreção de produtos secundários do metabolismo. Nas membranas externas de várias espécies de bactérias existem as "proteínas de membrana externa" que estão envolvidas com os processos de infecção bacteriana e podem ser consideradas como fatores de virulência. Porinas Porinas são proteínas constituídas por subunidades que se agrupam para formar poros na membrana externa criando pequenos canais que permitem a difusão de moléculas de baixo peso molecular como nutrientes, por exemplo. As porinas podem transportar moléculas de modo seletivo ou não-seletivo, mas não podem fazê-lo contra um gradiente de concentração. Uma vez que grandes moléculas não se difundem através desses canais, o peptidoglicano das bactérias Gram-negativas está relativamente protegido da ação da lisozima. As porinas restringem o acesso de muitos agentes antimicrobianos ao citoplasma das bactérias Gram-negativas, que de modo geral, são mais resistentes a drogas que as Gram-positivas. Espaço periplásmico Nas bactérias Gram-negativas, o complexo peptidoglicano-membrana externa cria um compartimento denominado espaço periplásmico ou periplasma. O periplasma é uma camada coloidal que contém grande quantidade de enzimas hidrolíticas e outras que direcionam nutrientes essenciais para as proteínas de transporte da membrana plasmática, evitando que se difundam de volta para o meio externo. O espaço periplásmico contém enzimas inativadoras de antibióticos, quimiorreceptores (sensores que auxiliam a célula a detectar mudanças no ambiente) e oligossacarídios que parecem auxiliar a bactéria a resistir à osmolaridade do meio. No espaço periplásmico de muitas bactérias Gram-negativas, entre a parede celular e a camada fosfolipídica da membrana externa existem lipoproteínas que auxiliariam na ancoragem da membrana externa à parede celular. A extremidade protéica liga-se ao peptidoglicano enquanto que a porção lipídica associa-se aos lipídios da membrana externa. Em bactérias Gram-positivas não há espaço periplásmico óbvio Camadas S Camadas S são membranas constituídas por subunidades idênticas de proteínas ou glicoproteínas que formam um arranjo cristalino e poroso que recobre a superfície dos procariotos. A espessura das camadas S varia entre 5 a 15 nm. Essas estruturas foram identificadas em centenas de diferentes espécies bacterianas pertencentes aos maiores grupos filogenéticos e são características comuns à maioria dos Archaea. Os pesos moleculares das subunidades protéicas variam entre 30 e 220 kDa conforme a espécie da bactéria. A maioria das camadas S conhecidas é composta de única espécie de proteína ou glicoproteína com a propriedade de formar arranjos bidimensionais sobre uma camada subjacente do envelope celular tais como o peptidoglicano em bactérias Gram-positivas, a pseudo-mureína em Archaea, ou a componentes da membrana externa de bactérias Gram-negativas. Em alguns Archaea, (por exemplo, Methanococcus jannaschii) a camada S é a única estrutura da parede celular e está associada apenas à membrana plasmática. As camadas S são caracterizadas por uma simetria definida e pela presença de poros idênticos em tamanho e em morfologia, com diâmetros de 8 a 10 nm. Alguns poucos organismos como Clostridium difficile e Bacillus anthracis apresentam camadas S constituídas por dois tipos de subunidades. As bactérias Brevibacillus brevis e Aquaspirillum serpens apresentam duas camadas S superpostas constituídas de dois tipos de subunidades. As proteínas das camadas S de muitos Archaea e das bactérias Gram-positivas podem possuir cadeias de oligossacarídios covalentemente ligadas, constituídas de 20 a 50 unidades repetitivas idênticas de pentoses, hexoses, heptoses ou outros açúcares. Em bactérias Gram-positivas, esses oligossacarídeos são algo similares ao LPS das membrana externa das bactérias Gram-negativas. Apesar do considerável conhecimento a respeito da estrutura, organização, bioquímica e genética das camadas S, há relativamente pouca informação a respeito de suas funções específicas. Procariotos possuidores de camadas S têm ampla distribuição na biosfera o sugere que tais estruturas tenham extenso espectro de funções. Em termos funcionais, as camadas S não devem ser vistas como componentes isolados uma vez que comumente são partes de estruturas celulares mais complexas. Os poros das camadas S provavelmente funcionam como “filtros moleculares” precisos, permitindo a difusão de íons e moléculas. PAGE 1 As camadas S podem conferir vantagem seletiva aos microrganismos que as possuem. Podem estar envolvidas com reconhecimento de superfícies e adesão celular. Têm funções protetoras e quando presentes em envelopes celulares de patógenos os protegem contra a ação das defesas inespecíficas do hospedeiro, desta forma contribuindo para a patogenicidade. As camadas S possuem grande potencial para várias aplicações biotecnológicas e biomédicas, como o desenvolvimento de membranas para ultrafiltração. Cápsula Bactérias Gram-positivas e Gram-negativas podem construir uma camada viscosa constituída de uma combinação de polissacarídios e proteínas denominada “cápsula”. A presença da cápsula permite à bactéria se aderir a superfícies como rochas, raízes de plantas, dentes, plásticos, metais, etc. Muitas comunidades microbianas existem na forma de biofilmes aderidos a superfícies à custa de grandes quantidades de material mucoso. As cápsulas variam em espessura e podem atingir duas vezes o volume da célula produtora. A cápsula provavelmente confere proteção contra compostos tóxicos que não se difundam facilmente na matriz polissacarídica e, nos processos infecciosos, dificultam a captura e destruição das bactérias pelas células do sistema imunológico do hospedeiro. Estruturas de fungos Características gerais Eucariotos , aclorofilados heterotróficos Podem ser multinucleados, podem ser multi-celulares Reprodução sexuada assexuada ou parassexuada. Parede celular rígida com quitina ou celulose Material de reserva é o glicogênio. Constituição: Eucariotos (maior semelhança bioquímica às células de animais do que células bacterianas) Seqüência do rDNA do fragmento 18S ribossomal – Eumycota mais próximo de células animais do que de plantas – Oomycota mais próximo de algas. Núcleo- Organizado, com cromossomos lineares com dupla fita de DNA , com nucléolo, A maioria do ciclo assexuado possui células haplóides, Genoma com 12 a 88Mpb Fuso mitótico com muitos microtúbulos Carioteca Mitocôndria Complexo de Golgi Vacúolos- Glicogênio pode ser até 10% do peso seco da célula Poro septal – fungos micelianos Membrana – muito ergosterol (diferente do colesterol) Parede celular ( Quitina, Celulose, Pigmentos, Lípides, glucanas) Fungos unicelulares, - Leveduras- células arredondadas ou ovais- multiplicam assexuadamente por brotamento ou cissiparidade. Fungos Multicelulares – Estrutura tubular com parede rígida (Hifa), pode se ramificar – o conjunto de hifa é denominado micélio, podem apresentar parede transversal (septo) com poro septal Hifas cenocíticas X Hifas septadas Fungos Dimórficos – Apresentam fase leveduriforme ( no hospedeiro – 37o C) E micelial (no ambiente 28o C PAGE 1 - Vírus - Transposons 2) Sexo (Troca de informação genética entre dois indivíduos) Bactérias reproduzem assexuadamente, mas realizam três formas de troca genética (1) Transformação (2) Conjugação (3) Transdução - Independentemente do método utilizado, parte da informação genética do DOADOR é transferida e incorporada ao DNA do RECEPTOR. - A incorporação do DNA transferido se dá através de Recombinação Homologa. TRANSFORMAÇÃO - Definição: Transferencia de informação genética através de DNA livre. - Descoberta no final da década de 20 por Fred Griffith trabalhando com S. pneumoniae - Posteriormente, Oswald Avery et al demonstrou que a transformação pode ser efetuada em tubo de ensaio e que a molécula transformada era DNA. Avery repetiu o experimento de Griffith, tratando os extratos celulares com proteases, ribonucleases e deoxiribonucleases. - Mecanismo de transformação - Poucas bactérias são naturalmente transformáveis. - Para uma bactéria transformar uma molécula de DNA ela deve estar COMPETENTE. - Bactérias podem tornar-se artificialmente competentes tratando-as com CaCl2. DNA pode ser também eletroporado. - P: O que acontece se molécula de DNA transformada não sofrer Recombinação? Quando a molécula de DNA transformada for um plasmídio, não ocorrerá geralmente recombinação. O plasmídio nadará livremente no citoplasma. Se for uma molécula de DNA sem origem de replicação própria, ela se perderá nas sucessivas duplicações ou será degradada por nucleases. Plasmídios - Moléculas de DNA, geralmente (mas não sempre), circulares de tamanho entre entre 1 e 1000 Kb. - Por definição plasmídios contem genes que codificam a proteínas não essenciais. • Uma única bactéria pode conter 1-200 copias do mesmo plasmídio e • também diversos tipos de Plasmídios. - Epissomos: Plasmídios que podem integrar-se ao cromossomo da bactéria. Plasmídios conjugativos: plasmídios que podem ser transferidos de uma célula a • outra por conjugação. • P: Por que as bactéria possuem Plasmídios? • – Porque são uma fonte extra de genes (que nem sempre são necessários). I- Plasmídios de resistência – geralmente conjugativos. Ex.: R100. II- Plasmídios codificadores de toxinas e outros fatores de virulência. Ex.: Plasmídio que carrega o gene codificador da proteína de adesão em E. coli enteropatogênica. III- Plasmídios que carregam genes codificadores de Bacteriocinas. IV- Plasmídios engenherados. Ex.: pBR322 CONJUGAÇÃO Transferencia de informação genética de uma bactéria a outra através de contato físico entre as mesmas. - Descoberta em 1946 por Joshua Lederberg e Edward Tatum. - A conjugação é realizada por Plasmídios conjugativos. Em E. coli e em outra bactéria gram- negativas este é denominado Plasmídio ou Fator F (de Fertilidade). O fator F é um epissomo. - A passagem do fator F entre as células necessita de contato físico via pilus, mas a exata função dos pili não é conhecida. Os pili são codificados pela região tra do fator F. A bactéria doadora do fator F é denominada macho. A bactéria receptora é fêmea. Muitas vezes ao receber F, a bactéria muda de sexo. - Ao contrario da transformação, a conjugação é extremamente eficiente e é talvez a principal forma de transferencia de resistência a antibióticos. Ex.: R100 PAGE 1 - conjugacao.gifMecanismo de conjugação. Note que apenas uma fita de DNA é transferida. - A transferencia de Hfr se dá com alta frequencia, mas raramente o cromossomo inteiro é transferido mantendo a célula receptora F-. Há recombinação homóloga entre Hfr e o cromossomo da bacteria receptora. - Bacterias que já possuem fator F são pouco receptivas a receber um novo fator F. - O fator F pode estar presente na célula de diversas formas. Designação Estado do fator F (plasmídio de conjugação) Propriedades F- Não há Receptor de fator F F+ Fator F livre no citoplasma Transfere eficientemente o fator F para a célula receptora F’ Fator F carrega segmentos de DNA cromossômico. Ex.: F’ lac Transfere o fator F e segmentos cromossômicos com alta eficiência; pode haver recombinação homóloga com regiões do cromossomo Hfr Fator F integrado no cromossomo da bactéria (epissoma) Transfere regiões cromossomicas com alta eficiência a partir de um ponto fixo (de acordo com a posição do Hfr) TRANSDUÇÃO - Definicao: Transferencia de material genetico de uma celula a outra atraves de infeccao viral. - Foi descoberta por Joshua Lederberg e Norton Zinder em 1952. - Dois tipos de transducao: Geral e Especial. - Transducao Geral: Fago P1 de E. coli. Mecanismo da transdução. - Aproximadamente 0.3% dos fagos carregam DNA bacterial na hora do empacotamento. - P1 pode empacotar até 100,000 pares de bases. È possivel então mapear genes contidos neste intervalo um em relação ao outro. O mapeamento de E. coli foi feito com o fago P1. - A transdução Especial difere da T. Geral em que somente um numero limitado de genes podem ser transferidos, pois a integração do fago ocorre sempre no mesmo local do cromossomo. - transducaoespecial.gifTransducao Especial PAGE 1 CAPÍTULO 4. Metabolismo microbiano Metabolismo Catabolismo + anabolismo Depende do genoma microbiano Autotróficos (usam o CO2 como precursor para síntese de moléculas orgânicas) Fotoautotróficos Luz – fotossíntese CO2 + H2O -----------C6H12 + 6O2 Cianobactérias e algas verdes e sulfurosas verdes = * vegetais Autotróficos Quimioautotróficos Usam a redução de sulfetos e nitritos – energia Bactérias nitrificantes Heterotróficos (hidrolisam) moléculas orgânicas sintetizadas por outros microrganismos (vivo ou morto) Quimio-heterotróficos Maioria dos patógenos – com O2 Respiração aeróbia C6H12O6 + 6O2 – > 6CO2 + 6H2O + energia Quimiosmose- O2 é aceptor de elétrons (H2 do ciclo de krebs.) H+ H+ Força proton motriz na membrana celular bacterina. Membrana celular bacteriana – “bateria” ADP + energia + Pi –ATP - - O = energia Fotoheterotróficos Parte da energia obtida da luz mas usam álcool e ac. graxos como fontes de carbono BACTÉRIAS PÚRPURAS E VERDES Quimio-heterotróficos Maioria dos patógenos - Sem O2- Fermentação: ac. Pirúvico 1. Ácido homolática- só produz ac lático (Lactobacillus sp., Streptococcus sp., cel. musculares) 2. Heterolática (vários produtos e CO2) (E. coli) PAGE 1 Crescimento logarítmico contínuo Quimiostato Microbiologia industrial Microbiota rumenal FASE estacionária Velocidade do crescimento populacional é igual à velocidade de morte celular Linha horizontal Meio ainda com nutrientes e com resíduos. O2 – seleção dos anaeróbios ph – seleção de acidófilos ou alcalófilos Fase de declínio A festa está cada vez pior, -----Campanha contra a fome já > velocidade de morte celular < logarítmica do número de microrganismo Genética do microrganismo Fase de declínio Involução -- formas incomuns gente estranha) Protoplastos e esferoplastos < Cel vegetativa--- >.de esporos, e endoesporos Crescimento em colônia 1 Cel. Cresce forma uma colônia (visível) todos descendentes de um só microrganismo. Todas as fases ocorrem simultaneamente PAGE 1 CAPÍTULO INTERAÇÕES MICROBIANAS Cels microbianas não vivem isoladamente. População microbiana equivale a uma clone em seu habitat. Comunidade microbiana possuem várias populações, que contribuem para a mantença da comunidade como um todo. Ocorrem interações positivas e negativas entre indivíduos de uma mesma população e entre populações diferentes. Essas interações são responsáveis pelo balanço ecológico da comunidade. Interações dentro de uma população microbiana. Com o aumento da densidade populacional, ocorrem menos interações positivas, e reduz a taxa de crescimento. Cooperações ocorrem em menores densidades populacionais. Competições ocorrem em maiores densidades. Existe um ótimo de densidade para uma maior taxa de crescimento microbiano. – Gráfico crescimento X densidade. Cooperações: Reduz a fase lag de crescimento, Favorece o crescimento de pequenos inóculos (importante para microrganismos fastidiosos). (inóculos medianos possuem um relativo maior sucesso em colonizar do que um único indivíduo.). esse fator está relacionado à dose mínima infectante para microrganimos patogênicos). Membranas celulares microbianas precisam de metabólitos de baixo peso molecular que são disponibilizados somente com um determinado número de indivíduos. Microrganimos móveis são mais frequentemente encontrados em colônias do que na forma móvel e dispersa. A cooperação é fundamental para a utilização de substâncias insolúveis como celulose, lignina e elementos de insolúveis de solo e rochas. As enzimas extracelulares de alguns indivíduos produzem substratos para todos os membros da população. Em populações pequenas os produtos liberados poderiam facilmente se difundir e não serem utilizados. Os biofilmes são mais resistentes a determinados antimicrobianos, à ação da luz ultra-violeta e à ação do frio ou calor. Os indivíduos externos protegem os internos. Resistência e habilidades gênicas adquirida por um indivíduo pode ser facilmente transmitido a vários outros quando estão em uma grande população. Ex: conjugação bacteriana precisa de densidade maior que 105/ml. Competição Ocorre devido à utilização de mesmo substrato, mesmo nicho ecológico. Microrganismos predadores competem pela sua presa. Microrganismos parasitas competem pela sua célula hospedeira, ou hospedeiro. Acúmulo de metabólitos tóxicos: Principalmente ácidos de baixo peso molecular e H2S. Aumento de H2S – limita a redução de sulfatos Aumento de ac. Lático- reduz a atividade de Lactobacillus sp. (ex. iogurte muito ácido). Aumento de etanol – reduz crescimento de Saccharomyces. Alguns indivíduos ocorrem genes de peptídeos e proteínas letais. Ex E. coli (gene em plasmídio)- peptídeos HOK- altera proteínas de membrana e promove lise em populções com alta densidade. PAGE 1 CAPÍTULO MICROBIOLOGIA AMBIENTAL Microrganismos no ar Microbiota do ar reflete a microbiota do solo, da água, homem e animais de um ambiente. • Não cresce microrganismos. • Carreia esporos de fungos filamentosos (Aspergillus sp.) e endósporos de Bacillus sp. • Ambientes fechados e com grande densidade populacional. • Aerossóis. • Mycobacterium bovis, M. bovis, Bacillus anthacis, Histoplasmose, Afitosa virus. Controle: Trietileno glicol, ácido lático – aerossóis. (São bactericidas, atóxicos). Lâmpadas de UV. – condutos de ar, blocos cirúrgicos, capela de fluxo laminar. Filtração do ar. (Algodão, fibra de vidro)- Sistema de fluxo laminar (membrana de celulose) – capela de fluxo laminar. Microrganismos de solo Grande biodiversidade (inúmeras espécies e grande população de microrganismos) Um hectare e 15 cm de profundidade - 4 toneladas de microrganismos). *Todo tecido vegetal ou animal são mineralizados (húmus). Disponibilizam enxofre, carbono e nitrogênio, e vários microelementos - adubo para as plantas. Horizontes: A: Humuns, minerais, microrganismos, raízes (> Oxigênio, > nutrientes). B: (Subsolo) partículas pequenas C: Rocha mãe, e fragmentos da rocha mãe. Elementos químicos: Ferro, Alumínio, Sílica. • 70% bactérias aeróbias, • 14% bactérias anaeróbias • 13% actinomicetos • 3% fungos Podem ser Produtores: bactérias cianofílicas. Consumidores: protozoários Decompositores: fungos, bactérias celulolíticas, proteolíticas, ureolíticas. Bactérias Fixadoras de Nitrogênio. Bactérias nitrificantes Bactérias desnitrificantes. Fungos - camadas mais superficiais, (micélios, esporos) – hidrólise da celulose e lignina. Melhoram a textura do solo (aeração, absorção de água). Leveduras – decomposição de frutas. Vírus- (infecção de pragas, bactérias, fungos) - Controle biológico. Fatores que afetam a microbiota do solo PAGE 1 Microbiota indígena ou residente (interações – comensalismo, simbiose, parasitismo) (própria da espécie, do sítio, da idade) Microbiota transitória (depende do equilíbrio da microbiota indígena) Seres mais íntimos de humanos e animais (1011 microrganismos e 1010 células humanas). Sítios ésteres LCR, sangue, bexiga, útero, trompas, ouvido médio e interno, seios nasais e rins. Animais germfree Animais gnotobióticos—um ou mais microrganismo conhecido SPF (specific pathogen free) Fatores determinantes Sítio, Idade, Sexo, resposta imune, habilidade de aderir, pH, Oxigênio, outros microrganismos, nutrientes. Importância do estudo Clinica (extração de dentes, estomatite cremosa por Candida sp.) Translocação microbiana Caráter anfibionte da microbiota indígena Importância microbiota endógena do trato digestório Localização (maior no intestino grosso e rúmen) Animais que hibernam, muitas bactérias anaeróbias permanecem viáveis -AGV. Digestão lactose (aves) e celulose . Desintoxicação (rúmen). Utilização de N não protéico. Produção de vitaminas (complexo B) Eqüinos: Ceco 25 a 30 L / cólon 55 a 70 L. Produção de AGV. Semelhança com rúmen Tamponamento - bicarbonato intestinal. pH 5 -6, Bactérias Celulolíticas, fungos e protozoários. (predomínio de Clostridium sp.) Suínos, ratos, aves, ceco ruminantes. Coelhos produção de péletes do ceco - coprofagia Aves: Produção de 6a 30 % da energia basal/ h. Ceco- 109 a 1010bac./g. que decompõem o ácido úrico . Reciclam a urina. Diminui a desidratação. Predomínio de Lactobacillus spp. e Clostridium spp.) Controle de agentes patogênicos: Associação da microbiota indígena à superfície intestinal pode prevenir a agressão por patógenos: competição, limitação de fontes de carbono, produção de anti-bacterianos e produção de ac. graxos ( MEYNELL,1963). DAIGLE et al. (1999) ”queijo probiótico” com Bacteróides . infantis , viáveis até 12 semanas. PAGE 1 Animais jovens: o estabelecimento de anaeróbios intestinais reduz a susceptibilidade a infecções intestinais. Uso de antibióticos pode favorecer a colonização por Salmonella sp. em aves. GUSILS (1999) Lactobacillus fermentum, potencial probiótico para frangos no controle de Salmonella sp. Adesão e Colonização do trato digestório Crescimento em fluidos do trato digestório. Colonização de partículas de alimentos: - 75% da população microbiana do rúmen Colonização direta dos tecidos: Rúmen- ureolíticas , anaeróbias facultativas. Biofilme. Quantidade de muco limita a colonização de bactéria e protozoários Interação microbiana: microcolônias monoespecíficas ou multiespecíficas (bactéria-bactéria e protozoário- bactéria). RÚMEN Sistema aberto. Os nutrientes exercem uma quimiotaxia positiva p/ os microrganismos. Movimentação rumenal. A menor velocidade de passagem favorece a degradação microbiana dos nutrientes. A velocidade de passagem deverá ser menor que o tempo de geração dos microrganismos. Alimentos da fase líquida < tempo de geração Fase sólida > tempo de geração AMBIENTE RUMENAL Anaerobiose: 65% CO2, 27% CH4, 7% N2, 0,6% O2, 0,2% H2, 0,01% H2S Temperatura: 38e 42ºC-- Mesófilos. Fonte de calor pH: 6 a 7 , tampão bicarbonato da saliva (até 200L.) STEMART (1977) menor degradação da celulose quando o pH está abaixo de 6 in vitro. THERION et al. (1982) bact. celulolíticas são mais sensíveis ao pH ácido. (NAGARAJA et al.,1979).Endotoxemia e acidoses lácticas, Bactérias do rúmen. Anaeróbios estritos entre 109 e 1010 ufc/grama predomínio de. Anaeróbios facultativos 107 ufc/g , parede ou líquido rumenal, ureolíticas) (Parede rumenal) e protozoários podem usar o O2 rapidamente 11 grupos : Classificação pelo substrato ou produto Celulolíticas , Hemicelulolíticas, Pectinolíticas, Amiinolíticas, Sacarolíticas, Ureolíticas, Proteolítica, PAGE 1 Acetolíticas, Lipolíticas Metanogênicas, Amoniagênicas. Fungos anaeróbios estritos, 8% da biomassa microbiana . Degradação da lignina e celulose (AKIN,1987). Neocallimastix, Piromonas commnis. Adição de culturas fúngicas (S. cerevisiae) até 2 Kg de leite (GOMEZ-ALARCON et al.,1988). Protozoários: 2% do peso total do rúmen, 40% do N. Ingerem e digerem as bactérias do rúmen indistintamente. Não são essenciais aos ruminantes. Possuem maior tempo de permanência no rúmen, reserva nos períodos de jejum. Protozoários podem voltar do abomaso para o rúmen. Dieta para o ruminante ou para a microbiota ruminal? • CHESSON et al. (1986) constituição das plantas forrageiras. 40 % de celulose, 35 a 48 % de hemicelulose, pequenas quantidades de pectina e lignina (variável). • Alimentação rica em grãos (para o ruminante) pode afetar crescimento de bactérias celulíticas. • Bactérias Metanogênicas, H2 + CO2 = metano eliminado pela respiração. Controle do pH. • Yokoyama et al., 1981, Lactobacillus anaeróbios estritos do rúmen proliferam em pH baixo e produzem D- ac. láctico – tóxicos – acido lática • Quase toda proteína e Uréia é degradada no rúmen produzindo amônia que conjugada em esqueletos de carboidratos = aminoácidos essenciais. -- Síntese de proteína microbiana. Transição da fase não-ruminante para ruminante Inoculação de bactérias: secreção vaginal, saliva da mãe, fezes, cama, outros bezerros, úbere, leite, alimentos, água. Alimentos fibrosos -- atividade celulolítica (4 a 6 semanas). 1 semana -- Butyrivibrio spp.(S. bovis, B. fragilis, Clostridium spp. 3 semanas-- Ruminococcus spp. 6 semanas-- B. succinogenes, B. ruminicola, Senomonas spp. 13 semanas-- microbiota típica de adultos. Protozoários: contato com saliva ./ Animais isolados até 2,5 anos. Beber rumenal pode atrasar a colonização ( ácido lático < pH < bactérias celulolíticas e protozoários) F 0 D EIngestão de fibras efeito tamponante da saliva- favorece a colonização. BIBLIOGRAFIA: HIRSH, D.C., ZEE, Y.C. Microbiologia Veterinária . Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2003. 446p BLACK, J.G. Microbiologia, fundamentos e perspectivas, 4a ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2002. 829p. TORTORA, G.T. et al. Microbiologia. 6a ed. Porto Alegre: Artes Médicas Sul, 2000. 827p. RUIZ LACAZ, R. Microbiologia zootecnia. São Paulo: Roca. 1992. 314p. TRABULSI, L.R., ALTERTHUM, F., GOMPERTZ, O.P., CANDEIAS, J.A.N. Microbiologia, 3a ed. São Paulo: Atheneu. 2002. 586p. LACAZ, C.S., PORTO, E., MARTINS, J.E.C. Tratado de Micologia Médica Lacaz, 9a Ed., São Paulo: Savier, 2002. Sites para consulta Scientific Electronic Library Online/ SciELO, FAPESP-Bireme, São Paulo, disponível em: http://www.scielo.org/ National Center for Biotechnology Information/ PubMed, National Library of Medicine, U.S., disponível em http:// www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed PAGE 1