Apostila de microbiologia

Apostila de microbiologia

(Parte 4 de 12)

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.

Os procariotos não possuem núcleo organizado nem organelas celulares envoltas por membranas. A maior parte de seu material genético está incorporada em uma única molécula circular de DNA de fita dupla, freqüentemente, fragmentos adicionas de DNA circular, conhecidos como plasmídeos, também estão presentes.

EUBACTÉRIAS

ARQUEOBACTÉRIAS

- Maior grupo

- Menor grupo

- Inclue todos os procariotos de importância na medicina

- Até agora não se conhece nenhuma espécie de importância na medicina

- Habitam o solo, superfície das águas e tecidos de outros organismos (vivos ou em decomposição). Pequeno número de espécies que habitam ambientes de condições extremas.

- Alta proporção habita ambientes em condições extremas: halófilas (Mar Morto), termoacidófilas (60 a 80ºC, sulfobactérias) e metanogênicas (pântanos, interior do tubo digestivo de insetos (cupins) e herbívoros)

- Algumas espécies são fotossintéticas

- Nenhuma espécie fotossintética

- Nenhuma espécie produz metano

- Todas as espécies são produtoras de metano por redução do CO2.

  • No citoplasma, além de sais minerais, aminoácidos, pequenas moléculas, proteínas, açúcares ainda são encontradas partículas de ribossomos, grânulos de material de reserva (amido, glicogênio, lipídeos ou fosfatos).

  • Exceto os micoplasmas, todos os procariotos têm paredes celulares rígidas. Nas Bacteria, esta parede celular é composta principalmente de peptidioglicanos. As bactérias Gram-negativas, com parede celular que não fixa o corante cristal-violeta. Possuem uma camada externa de lipopolissacarídeos e proteínas, sobre a camada de peptideoglicano, denominada cápsula, encontrada principalmente nas bactérias patogênicas, protegendo-as contra a fagocitose.

  • As células procarióticas não apresentam vacúolos, porém podem acumular substâncias de reserva sob a forma de grânulos constituídos de polímeros insolúveis. São comuns polímeros de glicose (amido e glicogênio), ácido -hidroxibutírico e fosfato.

  • As células de procariotos podem ter forma de esfera (coco), de bastão (bacilos) ou de espiral (espirila). Todos os procariotos são unicelulares, mas se a célula não se separa completamente após a divisão celular, as células filhas ficam grudadas em grupos finos, filamentos ou massas sólidas.

  • As células bacterianas são pequenas e medidas em micrômetros (µm), 1µm equivale 0,001mm. A menor bactéria tem 0,2 µm (Chlamydia), há células de Spirochaeta com 250 µm de comprimento. A maior bactéria conhecida é a Epulopiscium fishelsoni que foi encontrada no Mar Vermelho e na costa da Austrália no intestino de um peixe com mais de 600 µm de comprimento.

  • Na maioria das vezes o tamanho médio de uma bactéria é de 1-10 µm.

  • Muitos procariotos possuem um flagelo e, portanto, são móveis; a rotação do flagelo movimenta as células através do meio. As bactérias que apresentam um único flagelo são denominadas monotríquias e bactérias com inúmeros flagelos são denominadas peritríquias.

  • Procariotos podem ainda possuir fímbrias ou pili. As fímbrias ou pili são estruturas curtas e finas que muitas bactérias gram-negativas apresentam em sua superfície, estão relacionadas com a capacidade de adesão. Há a fímbria sexual, necessária para que bactéria possa transferir material genético no processo denominado conjugação.

  • Certas espécies de bactérias tem a capacidade de formar endósporos, altamente resistentes ao calor, dessecação e outros agentes físicos e químicos, capaz de permanecer em estado latente por longos períodos e de germinar dando início a nova célula vegetativa. Isso permitem que a célula sobreviva em condições desfavoráveis.

  • Muitos procariotos se reproduzem assesuadamente por simples divisão, também denominada fissão binária, onde uma célula, divide-se ao meio, dando origem a duas células-filhas iguais.

Parede celular

A parede celular é uma estrutura rígida e porosa que envolve externamente a membrana plasmática de quase todas as bactérias conhecidas. Suas propriedades básicas são a de determinar a forma característica da bactéria e garantir sua integridade estrutural. A parede celular é constituída por uma complexa matriz polissacarídica denominada peptidoglicano ou mureína.

Peptidoglicano

O peptidoglicano é um polímero imenso, rígido, resistente, poroso e insolúvel constituído de uma rede de cadeias de polissacarídios interconectadas por pequenas cadeias peptídicas. As cadeias de polissacarídios consistem de dois açúcares alternantes: N-acetilglicosamina (gluNAc) e ácido N-acetilmurâmico (murNAc). Ao murNAc encontra-se ligado um tetrapeptídio que se liga a outro tetrapeptídio idêntico presente em um outro resíduo de murNAc, situado em uma cadeia gluNAc-murNAc adjacente. Deste modo, forma-se uma rede de cadeias gluNAc-murNAc (glicano) paralelas ligadas entre si de modo cruzado, compondo a matriz do peptidoglicano. As pontes peptídicas conferem rígida estabilidade ao peptidoglicano. Conquanto a estrutura geral do peptidoglicano não varie, mais de cem tipos já foram identificados. A maioria deles difere pela constituição do peptídeo, pelo tipo de ligação entre os peptídios ou os tipos de intercruzamentos entre estes.

A síntese do peptidoglicano é um processo complexo e que envolve: (1) síntese do complexo murNAc-pentapeptídio; (2) transporte do complexo murNAc-pentapeptídio através da membrana plasmática com anexação do gluNAc ao complexo; (3) na superfície da membrana plasmática, glicosilases polimerizam as subunidades gluNAc-murNAc entre si na rede de peptidoglicano crescente e (4) no espaço periplásmico, transpeptidases formam as ligações cruzadas entre os peptídios de dois complexos murNAc-pentapeptídio (transpeptidação).

Para se dividir, uma bactéria precisa, ao mesmo tempo, sintetizar e degradar peptidoglicano. Normalmente, há um balanço entre a ação das enzimas sintéticas (transpeptidases) e as que degradam o peptidoglicano (autolisinas).

Os antibióticos β-lactâmicos e glicopeptídios agem como inibidores da síntese do peptidoglicano tendo dois efeitos gerais sobre a parede celular de uma bactéria em divisão: (1) inibição da ação das transpeptidases, reduzindo a quantidade de ligações cruzadas entre os peptídios de dois resíduos de murNAc em uma rede de peptidoglicano crescente, enfraquecendo a estrutura da parede celular e (2) ativação de autolisinas que digerem o peptidoglicano, causando a lise da bactéria.

O peptidoglicano é encontrado unicamente em bactérias e em plastídios fotossintéticos de algas eucarióticas unicelulares do grupo Glaucophyta. Nesse grupo de organismos, plastídios primitivos, denominados cianelas, são envolvidos por uma parede celular composta por peptidoglicano, indicando sua evolução a partir de cianobactérias endossimbiontes ancestrais. A ausência de peptidoglicano em animais e humanos torna viável a utilização de antibióticos β-lactâmicos nesses organismos.

A bactéria Bacillus subtilis é utilizada como organismo modelo para estudos do peptidoglicano. Nessa bactéria, o tetrapeptídio associado ao murNAc é idêntico ao da E. coli.

O peptidoglicano é encontrado em todas as eubactérias, com exceção do gênero Chlamydia e dos gêneros compondo o grupo das micoplasmas (Mycoplasma, Ureaplasma, Entomoplasma, Mesoplasma, Spiroplasma, Acholeplasma, Anaeroplasma e Asteroleplasma). Apresenta elevada resistência mecânica e resiste às altas pressões osmóticas do citoplasma bacteriano impedindo a expansão da membrana plasmática até seu rompimento. É essencial à viabilidade celular e qualquer fator que enfraqueça sua estrutura pode causar a lise da bactéria.

A estrutura do peptidoglicano não funciona como barreira seletiva no mesmo nível da membrana plasmática permitindo a difusão de muitas moléculas como água e nutrientes, mas pode representar uma barreira para certos corantes, alguns antibióticos, sais biliares, metais pesados e enzimas hidrolíticas como a lisozima.

A estrutura da parede celular separa as bactérias em dois grandes grupos: as Gram-positivas e as Gram-negativas. Denominam-se bactérias "Gram-positivas" aquelas que retêm o corante cristal violeta durante os procedimentos de coloração pelo método de Gram, aparecendo coradas em roxo escuro ou azul escuro, ao microscópio óptico e bactérias "Gram-negativas" aquelas que não retêm esse corante, aparecendo coradas em vermelho ou rosa pelo corante safranina (Figuras 3 e 4).

Bactérias Gram-positivas

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.

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.

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. 

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