Microbiologia - Conceitos Básicos e Bactérias

Microbiologia - Conceitos Básicos e Bactérias

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Microbiologia

Microbiologia é o ramo da biologia que estuda os microrganismos, incluindo eucariontes unicelulares e procariontes, como as bactérias, fungos e vírus. Atualmente, a maioria dos trabalhos em microbiologia é feita com métodos de bioquímica e genética. Também é relacionada com a patologia, já que muitos organismos são patogênicos.

Micróbios possuem características básicas do fundo dos organismos sicrobaticos que os tornam os modelos de organismos ideais. Foi descoberta a origem das bactérias, tendo sido anterior a origem de outros corpos, tais como protozoários, eucariotes e vírus. Dentre os citados, o último a se desenvolver foram os protozoários, por tratar-se de seres com uma complexidade maior:

  • São muito pequenos, então eles não consomem muitos recursos

  • Alguns possuem ciclos de vida bastante curtos (aprox. 30 minutos para E. coli, desde que esteja na presença das condições óptimas de crescimento)

  • Células podem sobreviver facilmente em isolamento das outras células

  • Eles podem-se reproduzir por divisão mitótica, permitindo a propagação de clones idênticos em populações

  • Eles podem ser congelados por longos períodos de tempo. Mesmo se 90% das células são mortas pelo processo de congelamento, há milhões de células em um mililitro da cultura líquida.

Estes traços permitiram que Joshua e Esther Lederberg pudessem dirigir um elegante experimento em 1951 demonstrando que adaptações evolutivas surgem melhor da preadaptação do que da mutação dirigida. Para isto, eles inventaram a replicação em placa, que permitiu que eles transferissem numerosas colônias de bactérias para locais específicos de uma placa de petri preenchida com Ágar-ágar para regiões análogas em diversas outras placas de petri. Após a replicação de uma placa com E. coli, eles expuseram cada uma das placas a fagos. Eles observaram que colônias resistentes aos fagos estavam presentes em partes análogas de cada placa, possibilitando-os concluir que os traços de resistência aos fagos existiam na colonia original, que nunca havia sido exposta aos fagos, ao invés de surgirem após as bactérias terem sido expostas aos vírus.

A extensiva caracterização dos micróbios tem nos permitido o uso deles como ferramentas em outras linhas da biologia:

  • Bactérias (especialmente Escherichia coli) podem ser usadas para reduplicar DNA na forma de um (plasmídeo). Este DNA é frequentemente modificado quimicamente in vitro e então inserido em bactérias para selecionar traços desejados e isolar o produto desejado de derivados da reação. Após o crescimento da bactéria e deste modo a replicação do DNA, o DNA pode ser adicionalmente modificado e inserido em outros organismos.

  • Bactérias podem também ser usadas para a produção de grandes quantidades de proteínas usando genes codificados em um plasmídeo.

  • Genes bacteriais tem sido inseridos em outros organismos como genes repórteres.

  • O sistema de hibridação em levedura combina genes de bactérias com genes de outros organismos já estudados e os insere em uma célula de levedura para estudar interações protéicas em um ambiente celular. E também vista na area da computação.

A MICROBIOLOGIA MODERNA

Atualmente, a microbiologia, como as demais áreas das ciências médicas, segue o caminho do DEVE-SE ESPECIALIZAR O MÁXIMO QUE SE PUDER. Assim, encontramos os bacteriologistas (especializados em bactérias), os virologistas (especializados em vírus), os micologistas (especializados em fungos), os ficologistas (especializados em algas microscópicas) etc.

Muitos microbiologistas estudam a relação entre os micróbios e o homem, os animais e as plantas. Os microbiologistas médicos pesquisam o papel dos microrganismos nas doenças humanas e buscam meios de prevenir e curar tais doenças. Os microbiologistas especializados em odontologia estudam os patógenos encontrados na boca, especialmente seu papel na cárie dentária e outras doenças bucais. Em agricultura, os microbiologistas estudam as doenças das plantas, o papel dos microrganismos na fertilidade do solo, e os prejuízos que os microrganismos causam à produção agrícola. Na indústria, os microbiologistas usam os microrganismos na fabricação de produtos tais como bebidas alcoólicas, antibióticos, ácido cítrico e vitamina C. Os microbiologistas não especializados em um campo particular estudam os fatos básicos dos microrganismos, inclusive suas relações ecológicas, genéticas, Metabólicas, Fisiológicas e Morfológicas.

Os microrganismos também desempenham importante papel no tratamento de esgotos e no controle da poluição. Um novo ramo da microbiologia que vem se desenvolvendo rapidamente é a microbiologia marinha, que dedica sua atenção ao vasto número de microrganismos dos oceanos.

Certos microrganismos estão sendo cultivados e armazenados experimentalmente, para serem usados como alimento.

Morfologia e estrutura de Bacterias

Morfologia

As celulas bacteriana sao caracterizadas morfologicamente pelo seu tamanho, forma, arranjo e estruturas que apresentam.

Tamanho

As celulas bacterianas sao sempre de diametro microscopicas que vao desde 0,3 mm ate 10 por 25 mm.

Forma

As bacterias podem ser classificadas, quanto a forma, em tres grupos basico:

  • Cocos: celulas esfericas;

  • Bacilos ; celulas cilindricas, em forma de bastonetes;

  • Espirilos ; celulas espiriliadas.

Arranjo

Muitas bactérias podem ainda ser classificadas quanto ao arranjo que apresentam a disposição entre si.

Cocos agrupados aos pares recebem o nome de diplococos. Quando o agrupamento constitui uma cadeia de cocos estes são denominados estreptococos. Cocos em grupos irregulares, lembrando cachos de uva, recebem a designação de estafilococos. Os bacilos e espirilos se apresentam em geral como células isoladas porem, ocasionalmente, pode-se observar bacilos aos pares ou em cadeias.

Estruturas bacterianas e suas funções

A célula bacteriana apresenta várias estruturas. Algumas das quais estão presentes apenas em determinadas espécies, enquanto outras são essenciais e, portanto, encontradas em todas as bactérias.

A Figura apresenta esquematicamente uma célula bacteriana típica com as principais estruturas externas e internas à membrana plasmática.

Membrana citoplasmática

A membrana plasmática, membrana celular ou plasmalema é a estrutura que delimita todas as células vivas, tanto as procarióticas como as eucarióticas. Ela estabelece a fronteira entre o meio intracelular, o citoplasma, e o ambiente extracelular, que pode ser a matriz dos diversos tecidos.

Estrutura química

Como a maioria das membranas biológicas, a membrana das bactérias é composta de proteínas (60%) imersas em uma bicamada fofolipídica (40%). As proporções dos componentes são variáveis, dependendo da espécie bacteriana e das condições de cultivo.

Os ácidos Graxos dos lipídios são responsáveis pela condição hidrofóbica da porção interna da membrana enquanto a parte hidrofílica dos mesmos fica exposta ao meio externo aquoso.

Além das interações como Mg2+ e Ca2+ são responsáveis pela manutenção da integridade da membrana. A membrana dos procariotos difere quimicamente da membrana das células eucarióticas, principalmente pela ausência de esteróis.

Funções:

  • Transporte de solutos

  • Produção de energia por transporte de elétrons e fosforilação oxidativa

  • Biossíntese

  • Duplicação do DNA

Mesossomo

A membrana citoplasmática pode apresentar invaginações múltiplas que formam estruturas especializadas denominadas mesossomos. Existem dois tipos:

A) Septal, que desempenha importante papel na divisão celular, pois, após a duplicação do DNA, ao qual se encontra ligado, atua como o fuso no processo de divisão da célula eucariótica, separando os dois cromossomos e conduzindo-os para os pólos da célula. Além disso, participa também da formação das paredes transversais

B) Lateral, encontrada em determinadas bactérias, parece ter como função concentrar enzimas envolvidas no transporte eletrônico, conferindo à célula maior atividade respiratória ou fotossintética.

Parede celular

Geralmente a pressão osmótica do interior das bactérias (15 a 20 atmosferas) é muitas vezes superior à do meio externo, de maneira que a tendência da célula a intumescer é grande e, se não fosse à presença da parede celular, as bactérias estourariam. A manutenção da forma bacteriana (bacilo, como, etc.) é devida a esta estrutura. Além disso, a parede desempenha um papel importante na divisão celular como primer para sua própria biossíntese, dando origem ao septo que separa as duas novas células oriundas da divisão celular.

Estrutura das paredes celulares das bactérias Gram positivas e Gram negativas:

A parede das bactérias pode ser formada primariamente por uma espessa camada de peptoglicano. As bactérias com esse tipo de parede são camadas Gram positivas. Em outras bactérias a parede celular é formada por uma camada delgada de peptoglicano e uma camada externa adicional, semelhante a uma segunda membrana plasmática. Essas bactérias são chamadas de Gram negativas.

Bactérias com paredes de composição química ou sem parede

  • Arqueobactérias – Peptidioglicanos típicos com ácido murâmico e D-aminoácidos, característicos da eubactérias. Algumas possuem paredes exclusivamente de N-acetilglicosamina e outras apenas de proteínas.

  • Micoplasmas – Não possuem parede celular e seu citoplasma é limitado apenas por uma bicamada fosfolipídica associada a proteínas e alta concentração de esteróis.

  • Formas L – Células sem parede originadas de bactérias Gram positivas ou Gram negativas selecionadas pelo uso de agentes que destroem a parede (lisozima ou penicilina). Uma vez isoladas, podem ser estáveis (permanecem sem parede na ausência do agente) ou instáveis (quando voltam a sintetizar a parede).

Flagelos

O flagelo bacteriano confere movimento à célula e é formado de uma estrutura basal, um gancho e um longo filamento externo à membrana (Figura 7). O filamento é composto de um único tipo de proteína chamado de flagelina.

O comprimento de um flagelo é geralmente maior que o da célula, mas seu diâmetro é uma pequena fração do diâmetro celular. Nem todas as bactérias possuem flagelos. Nas eubactérias, pode-se generalizar, afirmando que muitas espécies de bacilos apresentam flagelos, mas raramente eles ocorrem nos cocos.

A localização e o número de flagelos são usados na classificação de certos grupos taxonômicos. Os flagelos são muito finos e apenas com o aumento do seu diâmetro por meio de colorações especiais pode ser visualizado em microscópio óptico.

Os flagelos movimentam-se em velocidades muito elevadas, causando deslocamento das bactérias ao longo de distâncias muito superiores ao seu comprimento. A velocidade calculada de deslocamento da célula Spirilum serpens é de 500 mm/s. Algumas bactérias movimentam-se por meios diferentes da atividade flagelar: Mixobacterales deslizam sobre a superfície de um sólido com movimentos sinuosos. A velocidade desta bactéria é de apenas alguns micrômetros por segundo.

O movimento que algumas bactérias realizam, estimuladas por fatores físicos ou químicos, é chamado taxia. Quando o agente estimulante é a luz, trata-se de fototaxia; quando o agente é químico, quimiotaxia.

Pili ou fímbrias

Muitas bactérias Gram negativas são dotadas de apêndices filamentosos protéicos que não são flagelos, tais apêndices chamaram fímbrias, são menores, mais curtos e mais numerosos que os flagelos e não formam ondas regulares. As fímbrias podem ser vistas apenas sob microscopia eletrônica. Não desempenham nenhum papel relativo a mobilidade, pois são encontradas tanto em espécies móveis como em espécies imóveis. Há, contudo, várias funções associadas com diferentes tipos de fímbrias. Um tipo, conhecido como fímbria F, serve como porta de entrada de material genético durante a conjugação bacteriana.

Outros tipos funcionam como sítios receptores de bacteriófagos e como estruturas de aderência às células de mamíferos e as outras superfícies. Esta propriedade de aderência a superfícies atribuída às fímbrias pode ser importante para as bactérias em seu ambiente ecológico natural, pois permite sua fixação de tecidos dos quais derivam seus nutrientes.

Nucleóide

O nucleóide procariótico ou DNA bacteriano, quando devidamente corado, pode ser visualizado com o auxílio do microscópio óptico. Micrografias eletrônica revelam a ausência de uma membrana nuclear e de um aparelho miótico. A região nuclear é preenchida por fímbrias de DNA dupla hélice na forma de uma única molécula de aproximadamente 1mm de comprimento (desdobrada) e peso molecular de 2 a 3 x 109 D. O DNA com carga negativa é neutralizado, pelo menos parcialmente, por poliaminas pequenas e pelo íon magnésio. Entretanto, recentemente foram descobertas proteínas semelhantes às histonas de mamíferos e, provavelmente, elas desempenham um papel semelhante ao das histonas na cromatina eucariótica.

Citoplasma

O citoplasma da célula bacteriana é uma solução aquosa limitada pela membrana plasmática. Imersas no citoplasma existem partículas insolúveis, algumas essenciais (ribossomos e nucleóide) e outras encontradas apenas em alguns grupos de bactérias, nos quais exercem funções especializadas como os grânulos e os vacúolos gasosos.

Ribossomos

Partículas citoplasmáticas responsáveis pela síntese protéica, compostas de RNA (60%) e proteína (40%). Em procariotos possuem coeficiente de sedimentação de 70S e são compostos de duas subunidades 30S e 50S.

Embora a estrutura e a biossíntese dos ribossomos sejam bastante diferentes entre procariotos e eucariotos, sua função é a mesma.

Capsula

As capsulas sao geralmente de natureza polissacarideo, apesar de existirem tambem capsulas constituidas por proteina. As capsulas de natureza polissacarideos estao compreendidas na definicao de glicocalice, que engloba todas as estruturas contendo polissacarideos que se acham situadas externamente a parede.

O glicocalice e responsavel pela adesao de diversas bacterias aos locais onde estas se estabelecem, favorecendo a formacao de microcolonias.

Esporos

Algumas bacterias, notadamente as pertencentes aos generos Bacillus e Clostridium, sao capazes de dar origem a forma de resistencia denominados endosporos. O endosporo e uma celula, formada no interior da bacteria, altamente resistente ao calor, desecassao e outros agentes fisicos e quimicos, capaz de permanecer em estado latente por longos periodos e de germinar dando origem a uma nova celula vegetativa.

METABOLISMO BACTERIANO

O termo metabolismo refere-se a todas as reações químicas que ocorrem na célula, incluindo tanto as reações que produzem energia como as que utilizam para biossintese ou outras funções celulares.

A célula transforma a energia em composto químico ou luz, em energia útil ao seu funcionamento, que e a energia química contida em determinados compostos, que apresentam ligações ricas em energia, tais como ATP (adenosina trifosfato), GTP ( guanosina trifosfato ), acetil-Coa ( acetil-coensima A ) e outros. Pela quebra de ligações altamente energéticas destes compostos, a célula obtém energia para a realização de tarefas que consomem energia, tais como a biossintese de moléculas orgânicas complexas. A síntese de proteínas, lipídeos, carboidratos e ácidos nucléicos realizados a partir da suas respectivas subnidades, ocorrem constantemente na célula bacteriana, sendo esta uma das principais funções metabólicas da célula.

Bactérias heterotróficas sintetizam ATP a partir da energia liberada pela oxidação de compostos orgânicos que, transformados em moléculas mais simples, são utilizados como fontes de carbono.

Denomina-se respiração aeróbica aos processos de obtenção de energia caracterizados pela utilização do oxigênio como receptor final dos elétrons liberados na oxidação dos compostos que constituem a fonte de energia.

Fermentação e o nome dado aos processos de obtenção de energia onde compostos orgânicos funcionam como receptores finais dos elétrons liberados na oxidação de outros compostos orgânicos usados como fonte de energia.

Obtenção de energia

Bactérias pratróficas: possuem metabolismo defeituoso. Ainda que oferecido carbono orgânico não consiga sintetizar todos os compostos. Portanto, só conseguem viver na célula hospedeira. Ex: clasmídeos e requétseas.

Respiração aeróbica

Respiração anaeróbica Quimiotróficas

Fermentação

Não são processos exclusivos!

• Não existem bactérias que só fermentam

• Todas quimiotróficas respiram

• Diferenças entre fermentação e respiração

→ Na respiração: hidrogênios e elétrons transportados por receptores inorgânicos. Se receptor for O2 é aeróbica, se não for é anaeróbica. Não existe bactéria que faz respiração aeróbica e anaeróbica

→Na fermentação: é com receptores orgânicos

• Produto final:

· Respiração aeróbica: mais rentável que a aneróbica

· Fermentação: menos rentável dos 3 processos

• composto inicial: piruvato

• Fermentação alcoólica: produto final - álcool etílico; não é tão importante para as bactérias e sim para as leveduras

• Fermentação lática: Streptococos - bactéria de interesse médico

• Fermentação propiônica: produto final - ácido propiônico. Ex: Corinibacterium / Propionibacterium: fazem também respiração anaeróbica

• Fermentação butírica: produto final - ácido butírico, álcool butírico e ácido B-hidroxibutírico: também realizam respiração aneróbica.

• Fermentação butilenoglicólica: Enterobacter / butilenoglicol

• Fermentação acidamista: os produtos finais são o ácido acético, álcool etílico e ácido succínico

Nota:

* hidrolases - moléculas grandes se transformam em monômeros.

* autolisinas estão normalmente inibidas: a penicilina destrói inibidores das autolisinas, destruindo a parede.

Enzimas bacterianas

• Classificação:

a . extracelulares

b .ectocelulares

c . endocelulares

a. Enzimas extracelulares

• catalase: protege bactérias contra ação da H2O2 produzida na fagocitose

• coagulase: fibrinogênio fibrina

• penicilase: age sobre penicilina

b. Enzimas ectocelulares

• agem na membrana (permeabilidade seletiva) nos processos respiratórios e na síntese de parede

c. Enzimas endocelulares

•fazem síntese de grânulos de reserva, enzimas envolvidas no catabolismo

• enzimas de constituição: produção permanente, reguladas pelo PH, concentração do substrato, etc . . .

• enzimas de indução: só quando há necessidade ; reguladas pela sua síntese através do status do gene (se está ou não ativado). São ativados pelos operons. Produto final inibe ativador dos operons, "desligando" assim o gene.

Consumo de energia

• Biossíntese

• Locomoção

• Transporte ativo

• Produção de calor

• Somente os processos de biossíntese de parede e grânulos de reserva são diferentes das células eucarióticas.

Necessidade da Cultura

Na maior parte das vezes, o estudo da morfologia, arranjo e a interpretação das propriedades de coloração são insuficientes para a identificação do agente bacteriano. Recorre-se então à cultura, para se conseguir um elevado número de microorganismos, para estudar as características culturais da bactéria como a capacidade de crescer em meio selectivo e o aspecto das colônias. Através da cultura em meios sólidos, pode-se também quantificar a presença bacteriana no material analisado (importante para diferenciar infecção de colonização em determinadas situações), obter colônias para a realização de testes de identificação, bem como obter inóculo para suspensão (em solução salina)para a realização de antibiograma.

Meio de Cultura

Assim, para a realização de uma cultura bacteriana, precisamos de um inóculo e de um meio de cultura. O meio de cultura é uma substância líquida ou gelificada, simples ou complexa, que permite a nutrição, o crescimento e a multiplicação dos microorganismos.

Com efeito, o meio de cultura deve oferecer condições o mais próximas possível das condições naturais. As suas características fundamentais são:

  • Composição: normalmente contêm 80% de água, 0.9% de cloreto de sódio e o restante depende do microorganismo em questão (embora tenha que existir uma fonte de energia e carbono - habitualmente um açúcar).

  • Isotonia: a concentração de cloreto de sódio deve ser idêntica à fisiológica. As bactérias envolvidas nas patologias humanas geralmente não são halofílicas, apesar de o Staphylococcus aureus poder suportar elevadas concentrações salinas.

  • pH: entre 6.8 e 7.8, ou seja, próximo da neutralidade. Mas de lembrar que outras bactérias podem ter outros pH óptimos, diferentes da neutralidade (ex. Helicobacter e Lactobacillus que são acidófilas. Já o Vibrio cholerae, agente causador da cólera, apresenta um crescimento ótimo em pH entre 8 e 9,5).

  • Potencial redox: depende do seu tipo de respiração. Podem ser anaeróbias estrictas (não possuem enzimas para degradar o peróxido de hidrogénio), anaeróbias moderadas, anaeróbias facultativas e aeróbias estrictas.

  • Esterilidade: a esterilização do meio de cultura é efectuada após a sua preparação, para assim eliminar os microorganismos contaminantes. Conseguido geralmente por esterilização na autoclave.

  • Acondicionamento: tentando, a todo o custo, evitar a contaminação (recipientes rolhados ou placas de Petri).

  • Temperatura: a incubação deve ser feita à temperatura corporal.

Os meios de cultura podem ser classificados segundo o seu estado físico, pela sua composição e a sua utilização.

No que respeita ao seu estado físico, os meio podem ser líquidos, também designados por caldos, e a sua turvação é o indicador de crescimento bacteriano. Os meios gelificados (geloses) permitem o crescimento das células formando colónias. As geloses são obtidas a partir de um meio líquido ao qual é adicionado uma substância gelificante: inicialmente era a gelatina, mas como esta era usada pelos microorganismos, passou a ser usado o ágar-ágar (1.5%), que apenas promove a gelificação do meio. O ágar-ágar pode ainda ser usado em concentrações inferiores (0.5/0.7), em meios semi-gelificados (são utilizados para verificar a mobilidade das bactérias).

Em relação à composição do meio, podem ser classificados como naturais, cuja composição é complexa e mal definida (ex. caldo de carne), sintéticos (substâncias químicas perfeitamente conhecida - normalmente é um pó ao qual se adiciona água) e semi-sintéticos aos quais se adiciona uma substância natural (ex. gelose de sangue).

Finalmente, em relação à sua prática laboratorial, podemos considerar os meios de base, que contêm os nutrientes mínimos essenciais ao crescimento e multiplicação bacterianas, os meios enriquecidos, meios aos quais foram adicionados produtos biológicos (ex. sangue) e meios selectivos, quando há uma alteração de um ou mais factores físico-químicos ou se adicionam substâncias com uma acção antibacteriana, que vão actuar como selectora de algumas bactérias

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