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MORFOLOGIA E ULTRA-ESTRUTURA DE BACTÉRIAS

MORFOLOGIA E ULTRA-ESTRUTURA DE BACTÉRIAS

Microbiologia FFI 0751Microbiologia FFI 0751ProfaProfa. 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 CromossomoDNA de dupla fita, circular, grandeE. coli – 1,3 µµµµm de comprimento

- 4,2 x 103 kbMycoplasma – 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

PlasmPlasm íídeosdeos

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 – grandes3.5 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 paraoutra célula através da conjugação,

- Integrativos que se inserem no cromossomo bacteriano ou não

Conjugação

Plasmídeos

Resistência aos antimicrobianos devido àaquisição 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 MollicutesOrdem MycoplasmatalesFamilia Mycoplasmataceae2 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 arranjoCoco Bacilo (ou bastonete)

Forma de estrela: StellaForma 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 celularo Estruturas internas à parede

o Membrana citoplasmáticao Inclusõeso Endósporos

o Estruturas externas à paredeo Glicocálice (ou glicocálix)o Flageloso Fímbrias e Pili

o Locomoção da célula bacterianao Flagelaro Deslizamentoo Taxias (fototaxia, quimiotaxia)

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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 (ligaç ões covalentes)

Cadeia adjacente de glicano

Interligadas através da ligação cruzada de suas cadeias de tetrapeptídeos para formar peptídeo glicano

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 ribitolfosfato), 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 externao 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. BaixoAlto (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, cloranfenicole 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, glicoproteín as 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 celularo Estruturas internas à parede

o Membrana citoplasmática

o Inclusões

o Endósporos

o Estruturas externas à paredeo Glicocálice (ou glicocálix)

o Flagelos

o Fímbrias e Pili

o Locomoção da célula bacterianao 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 n ão contém esteróis (colesterol), por isso são menos rígi das que as

células eucarióticas.

Exceção são os micoplasmas , a única eubactéria que não possui parede celular.

Possuem esteróis junto à membrana citoplasmática aj udando 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 Archaeae 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.

� Paredeo Estruturas internas à parede

� Membrana citoplasmática

o Inclusões

o Endósporos

o Estruturas externas à paredeo Glicocálice (ou glicocálix)

o Flagelos

o Fímbrias e Pili

o Locomoção da célula bacterianao 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 atéC18).

– 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: fotomicrografiade Aquaspirillum

magnetotacticum com uma cadeia de magnetossomos.

Fonte: Tortora et al., 2005.

� Parede celularo Estruturas internas à parede

� Membrana citoplasmática

� Inclusões

o Endósporos

o Estruturas externas à paredeo Glicocálice (ou glicocálix)

o Flagelos

o Fímbrias e Pili

o Locomoção da célula bacterianao Flagelar

o Deslizamento

o Taxias (fototaxia, quimiotaxia)

EndEndóósporossporos

• Estruturas de resistência (ao calor, à agentes químicos, àdessecação, 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 Bacillusmegaterium. (b) Fotomicrografiade 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 àentrada 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 endóporosem 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 la tentes

de bactérias e fungos;

No combate ao carbúnculo, os microbiologistas compreen deram

que as formas latentes do bacilo do carbúnculo poderia m

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 ac ima 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