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MORFOLOGIA E ULTRA- ESTRUTURA DE BACTÉRIAS MORFOLOGIA E ULTRA- ESTRUTURA DE BACTÉRIAS Microbiologia FFI 0751Microbiologia FFI 0751 ProfaProfa. Dra. . Dra. IlanaIlana CamargoCamargo A cA céélula procarilula procarióóticatica o Parede celular o Membrana plasmática o Citoplasma (80% água, proteínas, carboidratos, lipídeos, íons orgânicos, compostos de baixo peso molecular) – não possui citoesqueleto. o Área Nuclear ou nucleóide o DNA circular grande de dupla fita (=cromossomo bacteriano), fixado à membrana plasmática. o Plasmídeo: DNA circular pequeno de dupla fita, replicação independente, 5 a 100 genes, transportam genes relacionados à resistência a antibióticos, tolerância a metais tóxicos, produção de toxinas e síntese de enzimas. 1 a várias cópias, 1 ou mais tipos por célula. o Ribossomos – milhares, conferindo aspecto granular ao citoplasma; 70S (30s+50S); sensível à ação de antibióticos. o Inclusões *Estrutura da célula eucariótica: membrana, citoplasma e núcleo. A cA céélula procarilula procarióótica ttica tíípicapica Corte transversal de uma bactéria. a) Esquema. b) Micrografia. (Fonte: Tortora et al., 2005) A cA céélula procarilula procarióótica tica x cx céélula eucarilula eucarióóticatica � DNA (material genético) não está envolvido por uma membrana e ele é um cromossomo circular. � DNA não está associado a proteínas histonas. � Não possuem organelas revestidas por membranas. � Parede celular contendo quase sempre peptídeoglicano. � Geralmente divisão celular por fissão binária (envolve menos estruturas e processos que a divisão de eucariotos). Cromossomo da Escherichia coli: tem cerca de 4,6 milhões de pares de bases (~4.300 genes) e cerca de 1 mm de comprimento. a)DNA emergindo da célula rompida. b)Mapa genético. Unidades baseadas no tempo necessário para transferir os genes durante o acasalamento entre duas células. (Fonte: Tortora et al., 2005) Procariotos - bactéria 1 Cromossomo DNA de dupla fita, circular, grande E. coli – 1,3 µµµµm de comprimento - 4,2 x 103 kb Mycoplasma – 750 kb Exceção: Brucella abortus – 2 cromossomos diferentes http://www.sciencebuddies.org/mentoring/plugin_bac_diversity_bacteria_and_dna.jpg Replicação de DNA bacteriano Procariotos - bactéria PlasmPlasmíídeosdeos DNA circular pequeno, de dupla fita, além do cromossomo bacteriano; ♦ São elementos genéticos extra-cromossômicos: não estão conectados ao cromossomo bacteriano principal e replicam-se independentemente do DNA cromossômico; ♦ Contém de 5 a 100 genes não cruciais para a sobrevivência da bactéria em condições ambientais normais; ♦ Podem ser ganhos ou perdidos sem lesar as células; ♦ Alguns conferem a vantagem da transferência de genes de resistência aos antibióticos, tolerância aos metais tóxicos, produção de toxinas e síntese de enzimas. ♦ Podem ser utilizados para a manipulação genética. Plasmídeos – elementos de DNA móveis que não são essenciais para a vida do microrganismo, mas que traz vantagens Procariotos - bactéria Plasmídeos de 70 kb – grandes 3.5 kb - pequenos enovelado - Genes de virulência ou de resistência às drogas, - Origem de replicação para produzir cópias que passam para células filhas na divisão celular ou para outra célula através da conjugação, - Integrativos que se inserem no cromossomo bacteriano ou não Conjugação Plasmídeos Resistência aos antimicrobianos devido à aquisição de plasmídeos Ribossomos Ribossomos são caracterizados pelo coeficiente de sedimentação, expresso em unidades Svedberg (S). Procariotos: 70S � contém uma subunidade grande (50S) e uma pequena (30S) Eucariotos: 80S � contém uma subunidade grande (60S) e uma pequena (40S) Tamanho das cTamanho das céélulaslulas Fonte: Madigan et al., 2004 Mycoplasma – as menores Classe Mollicutes Ordem Mycoplasmatales Familia Mycoplasmataceae 2 gêneros: Mycoplasma e Ureaplasma •São os menores procariotos capazes de se multiplicar de modo independente (0,2 – 0,3 um); •Pleomórficos; •Não possui parede celular; •Membrana possui colesterol; •Requerem esteróis para o crescimento; •Genoma pequeno (580 – 2200 kpb) Tamanho das cTamanho das céélulas lulas -- gigantesgigantes Epulopiscium sp, bactéria endossimbionte de peixes herbívoros marinhos. Células podem atingir o tamanho de 600 um por 80 um. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=107617 Morfologia celular: Forma e arranjoMorfologia celular: Forma e arranjo Coco Bacilo (ou bastonete) Forma de estrela: Stella Forma quadrada e plana: HaloarculaEspiral Morfologia celular: Forma e arranjoMorfologia celular: Forma e arranjo Forma helicoidal (saca-rolhas) com corpo rígido, movimentação com flagelos Forma helicoidal (saca-rolhas) com corpo flexível, movimentação com filamento axial (flagelo contido em bainha externa flexível) o Parede celular o Estruturas internas à parede o Membrana citoplasmática o Inclusões o Endósporos o Estruturas externas à parede o Glicocálice (ou glicocálix) o Flagelos o Fímbrias e Pili o Locomoção da célula bacteriana o Flagelar o Deslizamento o Taxias (fototaxia, quimiotaxia) Aula de hoje...Aula de hoje... Parede celularParede celular o Estrutura complexa, semi-rígida e que confere forma à célula. o Previne a ruptura da célula – fornece rigidez contra a pressão de turgor (meio intracelular é geralmente mais concentrado em solutos que o meio externo). o Proteção contra choques físicos; o Essencial para crescimento e divisão da célula; o Importância clínica e taxonômica; o Visualização individualizada somente em microscopia eletrônica. Parede celular Parede celular -- FunFunççãoão Parede celular Parede celular –– GramGram--Positivo e GramPositivo e Gram--NegativoNegativo Parede celular Parede celular –– composicomposiçção e estruturaão e estrutura o Peptideoglicano (ou mureína) – principal componente da camada rígida da parede (só encontrado em Bacteria). o Unidades repetidas de um dissacarídeo unido por polipeptídeos. Ligação ββββ 1,4 ���� sensível à lisozima!! Cadeia de glicano (ligações covalentes) Cadeia adjacente de glicano Interligadas através da ligação cruzada de suas cadeias de tetrapeptídeos para formar peptídeoglicano Ponte cruzada de peptídeos N-acetilmurâmico N-acetilglicosamina (NAM) (NAG) http://www.cryst.bbk.ac.uk/PPS95/course/10_interactions/NAMNAGb14_t.gif Parede celular Parede celular –– composicomposiçção e estruturaão e estrutura Organização das unidades repetitivas formando a camada de peptideoglicano. a) Ligação cruzada em bactérias Gram- negativas. b) Ponte interpeptídica de glicina em bactérias Gram-positiva (Staphylococcus aureus). c) Várias fitas de peptídeoglicano unidas por ligações cruzadas. (Fonte: Madigan et al., 2004). Obs.: DAP (ácido diaminopimélico) ocorre nas Gram- negativo e poucas Gram-positivo; Lys (lisina), maioria dos cocos Gram-positivo. Parede celular Parede celular –– composicomposiçção e estruturaão e estrutura Paredes celulares de Paredes celulares de BacteriaBacteria Diagrama esquemático das paredes celulares de bactérias Gram-positivo (a) e Gram-negativo (b) (Fonte: Madigan et al., 2004) (c) Micrografia eletrônica de Arthrobacter crystallopoietes (Gram- positiva). (d) Leucothrix mucor (Gram-negativa). (e) e (f) MEV de Bacillus subtilis e E.coli. (Fonte: Madigan et al., 2004). Paredes celulares de Paredes celulares de BacteriaBacteria (Camargo et al, AAC 2008) Micrografia eletrônica de transmissão de Staphylococcus aureus Parede celular medida em nm Parede das bactParede das bactéérias rias GramGram--positivopositivo Parede das bactParede das bactéérias rias GramGram--positivopositivo o Muitas camadas (até ~25) de peptideoglicano (corresponde a 90% da parede). o Apresentam ácido teicóico (polissacarídeo ácido, com resíduo de glicerol fosfato ou ribitol fosfato), que confere carga negativa à superfície celular, regulando o movimento de íons + na célula. o Ácidos teicóicos – respondem pela especificidade antigênica da parede, tornando possível a identificação de bactérias em testes laboratoriais. Fonte: Madigan et al, 2004. Parede das bactParede das bactéérias rias GramGram--negativonegativo o Membrana externa composta de lipopolissacarídeo (LPS), lipoproteínas e fosfolipídeos. o Periplasma – espaço entre a MP e a ME – fluido com alta concentração de enzimas e proteínas de transporte. o Uma ou poucas camadas de peptideoglicano (que não contém ácido teicóico). Fonte: Madigan et al, 2004. Parede das Parede das GramGram--negativonegativo o Membrana externa o Permeável a pequenas moléculas pela presença de porinas, que permitem a passagem de moléculas hidrofílicas de baixa massa molecular (alguns nucleotídeos, dissacarídeos, peptídeos, aminoácidos, vitamina B12 e ferro). o Propriedade tóxica: associada ao lipídeo A (=endotoxina) do LPS. Exemplos de gêneros patogênicos Escherichia, Salmonella e Shigella. o Polissacarídeos O do LPS atuam como antígenos e são úteis para diferenciar espécies de bactérias Gram-negativas. Estrutura do lipopolissacarídeo de bactérias Gram-negativas. A composição química do lipídeo A e dos polissacarídeos é variável nas diferentes espécies. Fonte: Madigan et al, 2004. CaracterCaracteríísticas comparativas entre Gram sticas comparativas entre Gram –– e +e + Característica Gram-positivo Gram-negativo Reação de Gram. Retém o corante violeta Aceita o contracorante (safranina) Camada de peptideoglicano. Espessa – múltiplas Camada única – fina Ácidos teicóicos. Presentes em muitas Ausentes Espaço periplasmático. Ausente Presente Membrana externa. Ausente Presente Conteúdo de LPS. Nenhum Alto Conteúdo de lipídeos e lipoproteínas. Baixo Alto (devido àME) Toxinas produzidas. Exotoxinas Endotoxinas Resistência à ruptura física. Alta Baixa Ruptura da parede por lisozima. Alta Baixa Sensibilidade à penicilina e às sulfonamidas. Alta Baixa Sensibilidade à estreptomicina, cloranfenicol e tetraciclina. Baixa Alta Adaptado de Tortora et al., 2005. Parede celular de Parede celular de ArchaeaArchaea o Diversidade de tipos de parede neste domínio – porém inexiste peptideoglicano. o Tipo mais comum: Camada S – camada superficial paracristalina (também encontrada em Bacteria) o formada por um arranjo bidimensional de proteínas, com várias simetrias; o função pouco esclarecida: atua como barreira de permeabilidade – permite passagem de pequenas moléculas; o em bactérias patogênicas poderia proteger a célula contra mecanismo de defesa da célula hospedeira. o Paredes compostas por polissacarídeos, glicoproteínas ou proteínas (Methanosarcina, Halococcus). o Pseudopeptideoglicano: presente em algumas espécies de Archaea, como Methanobacterium. o Possui o N-acetiltalosaminurônico (NAT), em substituição ao N- acetilmurâmico (NAM) de Bacteria. o Ligações glicosídicas do tipo ββββ-1,3 (insensível à lisozima). Pseudopeptideoglicano de Archaea: ligações peptídicas cruzadas entre os resíduos do NAT (N-acetil talosaminurônico). Fonte: Madigan et al, 2004. Parede celular de Parede celular de ArchaeaArchaea � Parede celular o Estruturas internas à parede o Membrana citoplasmática o Inclusões o Endósporos o Estruturas externas à parede o Glicocálice (ou glicocálix) o Flagelos o Fímbrias e Pili o Locomoção da célula bacteriana o Flagelar o Deslizamento o Taxias (fototaxia, quimiotaxia) Membrana citoplasmMembrana citoplasmáática dos procariotostica dos procariotos Bicamada de fosfolipídios (invertidos) Porção hidrofílica Porção hidrofóbica Membrana citoplasmMembrana citoplasmáática dos procariotostica dos procariotos o Bacteria possuem hopanol, em substituição ao esterol das MP dos eucariotos (o que torna a MP menos rígida). o Algumas bactérias possuem dobras internas da MP onde localizam-se enzimas e pigmento envolvidos na fotossíntese (cromatóforos ou tilacóides). Estrutura de uma bicamada lipídica. Fonte: Madigan et al., 2004. Membrana citoplasmMembrana citoplasmáática dos procariotostica dos procariotos Funções: -Barreira para a maior parte das moléculas solúveis em água, é muito mais seletiva que a Parede Celular. - Sítio de localização de Permeases, proteínas específicas que transportam pequenas moléculas para dentro da célula; -Enzimas produzem energia e auxiliam a síntese da Parede Celular. Funções de barreira: Osmose e Difusão Membrana citoplasmática bacteriana Permite a osmose - entrada de água quando em uma solução hipotônica (baixa concentração de soluto) e saída de água de dentro da célula para fora quando em solução hipertônica (alta concentração de soluto). Também permite a difusão simples, a entrada de moléculas pequenas como oxigênio e dióxido de carbono, dissolvidos por meio da membrana citoplasmática sem gasto de energia (um processo passivo); Entretanto, a maior parte dos nutrientes é transportada por permeases e requer gasto de energia (processo ativo) Membrana citoplasmMembrana citoplasmáática dos procariotostica dos procariotos Proton motive force is composed of ∆pH and ∆ΨΨΨΨ (membrane potential) Redox loop and electron transfer chain Dehydrogenase + quionone + Proton pump + cytochrome + ATP synthase As membranas citoplasmáticas de muitas bactérias estendem-se no citoplasma para formar túbulos chamados Mesossomos. Parecem estar: - ligados ao material nuclear; - envolvidos na replicação de DNA; - envolvidos na divisão celular. Membrana citoplasmMembrana citoplasmáática dos procariotostica dos procariotos http://crv.educacao.mg.gov.br/sistema_crv/banco_objetos_crv/%7B66BDC17A-6FDE-4726-A6E9-6B427F0A7C93%7D_0801_image009.gif A maioria das Membranas Citoplasmáticas procarióticas não contém esteróis (colesterol), por isso são menos rígidas que as células eucarióticas. Exceção são os micoplasmas, a única eubactéria que não possui parede celular. Possuem esteróis junto à membrana citoplasmática ajudando a manter sua integridade. Membrana citoplasmática bacteriana Mycoplasma – as menores bactérias Membrana citoplasmMembrana citoplasmáática de tica de ArchaeaArchaea • Diferença dos domínios Bacteria e Eucarya está na composição do lipídeo. – Ligação do tipo éter entre glicerol e a cadeia lateral. – Cadeia lateral não é um ácido graxo e sim unidades repetitivas de isopreno (hidrocarboneto de 5 C). (a) Ligação éster (liga o glicerol ao ácido graxo em Eucarya e Bacteria). (b) Ligação éter (liga o glicerol à cadeia lateral, em Archaea). (c) Isopreno, estrutura da cadeia lateral hidrofóbica dos lipídeos de Archaea. Fonte: adaptado de Madigan et al., 2004. Membrana citoplasmMembrana citoplasmáática de tica de ArchaeaArchaea • Tipos de cadeia lateral definem a alta resistência a rupturas que alguns grupos apresentam, inclusive as ocasionadas por altas temperaturas (caso das arquéias hipertermófilas). Principais lipídeos de Archaea e a estrutura de suas membranas. Fonte: Madigan et al., 2004. Na monocamada lipídica as cadeias laterais de fitanil de cada molécula de glicerol estão covalentemente ligadas, o que confere a resistência a rupturas. � Parede o Estruturas internas à parede �Membrana citoplasmática o Inclusões o Endósporos o Estruturas externas à parede o Glicocálice (ou glicocálix) o Flagelos o Fímbrias e Pili o Locomoção da célula bacteriana o Flagelar o Deslizamento o Taxias (fototaxia, quimiotaxia) Inclusões da cInclusões da céélula bacterianalula bacteriana • Função de armazenamento de energia ou como reservatório de constituintes estruturais. • Geralmente envolvidas por uma fina camada de lipídeos. • Polímeros de armazenamento de carbono – PHB (ácido poli-b-hidroxibutírico): natureza lipídica – PHA (poli-b-hidroxialcanoato): nome coletivo para os grânulos acumulados, cujos polímeros podem variar de tamanho (C4 até C18). – Glicogênio (polímero de glicose) Estrutura química do PHB. Micrografia eletrônica de uma seção da célula de Rhodovibrio sodomensis. (Fonte: Madigan et al., 2004) Inclusões da cInclusões da céélula bacterianalula bacteriana • Grânulos de polifosfato (volutina): reserva de fosfato inorgânico para ser usado na síntese de ATP (também encontrados em algas, fungos e protozoários). • Grânulos de enxofre: Thiobacillus (bactéria do enxofre). • Magnetossomos: inclusões de óxidos de ferro - Fe3O4 – em algumas bactérias Gram-negativo. Função provável relacionada ao movimento – atração magnética a sedimentos onde [ ] de O2 é menor. • Vesículas de gás: em procariotos aquáticos (cianobactérias, fotossintéticas anoxigênicas), com função de aumentar a flutuabilidade. Magnetossomos: fotomicrografia de Aquaspirillum magnetotacticum com uma cadeia de magnetossomos. Fonte: Tortora et al., 2005. � Parede celular o Estruturas internas à parede �Membrana citoplasmática � Inclusões o Endósporos o Estruturas externas à parede o Glicocálice (ou glicocálix) o Flagelos o Fímbrias e Pili o Locomoção da célula bacteriana o Flagelar o Deslizamento o Taxias (fototaxia, quimiotaxia) EndEndóósporossporos • Estruturas de resistência (ao calor, à agentes químicos, à dessecação, radiação), desidratadas e duráveis. • São formados em condições de exaustão de nutrientes no meio. • Geralmente em bactérias do solo, Gram-positivo (descritos em cerca de 20 gêneros de Bacteria). Não se observou em Archaea. • Bem estudados nos gêneros Clostridium e Bacillus. • Podem permanecer dormentes por longos períodos de tempo: – Clostridium aceticum: 34 anos, frasco perdido em depósito da Universidade da Califórnia. – Thermoactinomyces: 2.000 anos. Fragmentos de ruínas de sítio arqueológico romano no Reino Unido. FormaFormaçção do endão do endóósporosporo • Condição de limitação de um ou mais nutrientes essenciais. • Em B. subtilis, ~ 200 genes envolvidos no processo de esporulação. Processo completo pode levar 8 horas. • Interrupção da síntese de proteínas envolvidas nas funções da célula vegetativa e ativação da síntese das proteínas específicas do esporo, em resposta a um sinal ambiental. Célula com metabolismo ativo e úmida Endósporo seco, metabolicamente inerte e extremamente resistente Estágios da formação de um endósporo (fonte Tortora et al., 2005) Composição da estrutura do endósporo Exósporo – Camada externa consiste de membrana lipoprotéica que contém aminoaçúcares. Capa do esporo – rígida composta de proteína rica em ligações de dissulfeto intramoleculares que confere a resistência aos agentes químicos Parede do esporo – peptideoglicano que dará origem a parede celular da célula vegetativa; Córtex – camada espessa (peptideoglicano diferente com menos ligações cruzadas); Cerne do esporo – Região interna Estrutura do endEstrutura do endóósporosporo • Camadas adicionais e externas à parede celular que protegem o DNA, formadas basicamente por proteínas. • Núcleo: parcialmente desidratado (contém de 10 a 30% de água da célula vegetativa) - inativa as enzimas, aumenta a termoresistência. – Apresenta altas [ ] de PPASs (pequenas proteínas de ácido solúveis de esporo): liga-se ao DNA, protegendo-o de possíveis danos causados pela radiação, calor seco e dessecamento; pode ser utilizado como fonte de energia e carbono na germinação do esporo. – Ácido dipicolínico: exclusivo dos esporos, corresponde a 10% do peso seco do esporo. Endósporo bacteriano. (a) MET de esporo maduro de Bacillus megaterium. (b) Fotomicrografia de fluorescência de célula de B. subtilis em esporulação. O corante liga-se a uma proteína da capa do esporo. Fonte: Madigan et al., 2004. GerminaGerminaçção do endão do endóósporosporo • Ativada por lesão física (aquecimento) ou química no revestimento do esporo. • Enzimas do endósporo rompem as camadas extras. • Intumescimento devido à entrada de água; síntese de novas moléculas de RNA, proteínas e DNA (se condições nutricionais foram favoráveis). Germinação de um endósporo em Bacillus. (a) esporo maduro. (b) ativação – perda de refringência. (c) e (d) extrusão – nova célula emergindo. Fonte: Madigan et al., 2004. Endósporos • Endósporos - Se formam dentro da célula, são exclusivos das bactérias. • Possuem parede celular espessa; • São altamente refratáveis; • Altamente resistentes às mudanças do ambiente, à exposição a compostos químicos tóxicos (desinfetantes). • Em M. O. - Coloração específica após o aquecimento do material para que os mesmos absorvam o corante. • Variam em forma e localização dentro da célula! Bacillus anthracis – Endósporos e células vegetativas Coloração de Schaeffer-Fulton Localização, tamanho e forma dos endósporos Esporos ovais: localização central (Bacillus cereus) Esporos esféricos: localização terminal (Clostridium tetani) Esporos ovais: localização subterminal (Clostridium subterminale) São mais freqüentes nos gêneros Clostridium e Bacillus. Geralmente em culturas que se aproximam do final de um crescimento ativo. Endósporos bacterianos. Fotomicrografia de contraste de fase ilustrando localizações intracelulares de endóporos em diferentes espécies. (a) Terminais (b) Subterminais (c) Centrais. Fonte:Madigan et al., 2004. Localização, tamanho e forma dos endósporos Atrapalhou a tentativa de contrariar a Teoria da Geração Espontânea Condições de experimentos não eliminavam as formas latentes de bactérias e fungos; No combate ao carbúnculo, os microbiologistas compreenderam que as formas latentes do bacilo do carbúnculo poderiam sobreviver no solo por anos!! Clostridium botulinum Causam a intoxicação alimentar - Botulismo. Possui endósporos: resistem a fervura durante horas; As células vegetativas são mortas por temperaturas acima de 70°C, mas a maioria dos endósporos pode resistir a 80°C por até 10 minutos. Resistência ao calor ♦ Perda de água durante a esporulação; ♦ Presença em grande quantidade de ácido dipicolínico (DPA) combinado com grande quantidade de cálcio. Clostridium sp. - Madigan et al., Microbiologia de Brock. São Paulo:Prentice-Hall, 10ª ed., 2004. Capítulo 4. - Tortora et al., Microbiologia. Porto Alegre; ArtMed, 8ª ed., 2005. Capítulo 4. BibliografiaBibliografia