Aula de microbiologia

Aula: Microbiologia
Estrutura das Células Procarióticas e Eucarióticas

Características Morfológicas dos Microrganismos Procarióticos

As bactérias são microrganismos procarióticos. A maioria delas é unicelular e apresenta uma forma simples. Esta simplicidade é evidente se observarmos forma, tamanho e arranjo das células bacterianas com um microscópio comum.

Morfologia das Bactérias

Tamanho

Invisíveis ao olho humano, as bactérias são normalmente medidas em micrômetros (µn), que são equivalentes a 1/1.000 mm (103 mm). As células bacterianas variam em tamanho dependendo da espécie, mas a maioria tem aproximadamente de 0,5 a l µn em diâmetro ou largura. Por exemplo, os estafilococos e os estreptococos são bactérias esféricas com diâmetros va¬riando de 0,75 a 1,25 um.



Formas

Nem todas as bactérias são iguais. As células bacterianas individuais apresentam uma das três formas básicas: das quais podem ser esféricas, cilíndricas ou espiraladas As células esféricas são denominadas cocos. São geral¬mente arredondadas, mas podem ser ovóides ou achatadas em um dos lados quando está aderida a outra célula. As células cilíndricas ou em forma de bastão são chamadas bacilos. Existem diferenças consideráveis em comprimento e largura entre as várias espécies de bacilos. As porções termi¬nais de alguns bacilos são quadradas, outras são arredonda¬das, e ainda outras são afiladas ou pontiagudas. As bactérias espiraladas ou helicoidais assemelham-se a saca rolhas e são chamadas espirilos.


Arranjo

Se observarmos as células microbianas por meio de um microscópio, veremos que elas estão freqüentemente acopladas umas as outras enquanto as bactérias espiraladas normalmente aparecem como células únicas, outras espécies de bactérias podem crescer em arranjos ou padrões característicos. Por exemplo, os cocos podem ser encontrados em diversos arranjos, dependendo do plano de divisão celular e se as células-filhas permanecem juntas após esta divisão.
Cada um desses arranjos é típico para uma espécie particular e pode ser utilizado na identificação. Quando um coco se divide em um plano ele forma um diplococo, ou duas células ligadas. Isto caracteriza algumas espécies de Neisseria, incluindo o agente etiológico da gonorréia.
Quando um coco se divide cm um plano e permanece ligado depois de várias divisões, formando uma cadeia, esta tem o arranjo dito estreptocócico. As espécies de Streptococcus, como aquelas causadoras das infecções de garganta e feridas, mostram este padrão durante o crescimento.
Se a célula se divide em mais de um plano ou dimensão durante o crescimento, os arranjos celulares tomam-se mais complexos. Quando um coco tal como o Pediococcus se divide no ângulo direito no primeiro plano de divisão, há formação de tétrades, ou grupos de quatro em forma de um quadrado. Uma divisão adicional no terceiro plano pode resultar em pacotes cúbicos de oito células, conhecidos como Sarcina. Obviamente, as espécies de Sarcina possuem este arranjo.
Se ocorrer divisões em três planos, em um plano irregular, formam-se agrupamentos em forma de cachos de uva. As espécies de Staphylococcus possuem este padrão celular.
Deve-se observar que raramente todas as células de uma dada espécie estão arranjadas exatamente no mesmo padrão. O arranjo predominante e o mais importante no estudo das bactérias. Além do mais, algumas palavras tais como espírito e bacilo podem ser usados tanto para nomes de gêneros quanto como um termo morfológico para denotar forma ou arranjo.
Ao contrário dos cocos, os bacilos formam arranjos em uma variedade de padrões característicos.
O tamanho, a forma e o arranjo das bactérias constituem sua morfologia grosseira, sua aparência “externa”.

Ultra-estrutura dos Microrganismos Procarióticos

As técnicas de microscopia revelam que uma célula bacteriana tem uma diversidade de estruturas funcionando juntas. Algumas destas estruturas são encontradas externamente fixadas à parede celular, enquanto outras são internas. Algumas estruturas são comuns a todas as células, tais como a parede celular e a membrana citoplasmática. Mas outros componentes celulares estão presentes somente em certas espécies ou sob certas condições ambientais. Combinando as estruturas mais freqüentemente encontradas dentro e sobre a bactéria, é possível desenhar a estrutura de uma célula bacteriana típica.

Flagelo e Pelos

Algumas estruturas das células bacterianas são encontradas externamente à parede celular. Algumas são usadas para se locomover e permitir que a bactéria se mova em direção a um meio mais favorável. Outras permitem às bactérias aderirem às superfícies de vários objetos. As reações bioquímicas que ajudam a mover ou sintetizar estas estruturas têm sido estudados extensivamente pêlos microbiologistas.

Flagelo

Os flagelos bacterianos são filamentos finos, como fios de cabelo com uma forma helicoidal que se estendem a partir da membrana citoplasmática e atravessam a parede celular. O flagelo propulsiona a bactéria através do líquido, algumas vezes chega até 100 µm por segundo o equivalente a 3.000 vezes o seu comprimento por minuto! A xitá, um dos animais mais rápidos, tem a velocidade máxima em 1.500 vezes o comprimento do seu corpo por minuto.
Um flagelo tem três partes: o corpo basal; uma estrutura curta em forma de gancho; e um longo filamento helicoidal. O corpo basal é uma peça fina de engenharia. A região ligada à célula consiste em um pequeno gancho central, circundado por uma série de anéis. As bactérias Gram-negativas têm dois pares, os anéis externos ancorados na parede celular e os internos ligados à membrana citoplasmática. Em bactérias Gram-positivas, um único par de anéis está presente um anel se dispõe sobre a membrana citoplasmática e o outro sobre a parede celular. Estes anéis são em última análise, responsáveis pelo movimento da bactéria.
O flagelo funciona por rotação semelhante ao movimento do saca-rolhas, o qual move a bactéria através de um líquido. A água é uma substância muito viscosa para a bactéria, da mesma forma que o melado parece muito viscoso para nós, assim "nadadeiras" microscópicas seriam úteis em tal líquido. Entretanto, pela rotação do flagelo, a bactéria pode mover-se através da água da mesma forma que um saca-rolha pode penetrar em um pedaço de rolha.

Estrutura da bactéria:




Nem todas as bactérias possuem flagelo. Os cocos raramente têm estas organelas. Mas, para as bactérias que apresentam, incluindo muitas espécies de bacilos e espirilos, o padrão de fixação flagelar e o número de flagelos são utilizados para classificá-los em grupos taxonômicos.
As bactérias móveis locomovem-se em uma ou outra direção por diversas razões? Seu movimento pode ser completamente ao acaso, mas freqüentemente elas se movem em direção a ou se afastam de alguma coisa presente no seu meio. As bactérias movem-se possivelmente buscando luz ou fugindo do calor. Elas também exibem quimiotaxia, que é o movimento em resposta às substancias reto chamado run. Quando os motores flagelares se invertem, o feixe de flagelos divide-se e a célula faz um tunble.

Pêlo (Fimbria).
Muitas bactérias, particularmente as Gram-negativas tem acessórios que não estão relacionados com motilidade. Estas estruturas filamentosas são ocas como os flagelos, mas não são helicoidais. São também mais finos (3 a 10 nm de diâmetro), menores, mais retas e mais numerosas que os flagelos.
Estas estruturas são chamadas pelos fimbrias.
Em infecções, os pêlos auxiliam a bactéria patogênica a aderir às células superficiais do trato respiratório, intestinal ou geniturinário, assim como as outras células hospedeiras. Esta adesão previne que as células bacterianas sejam retiradas do local pelo fluxo de muco ou outros fluidos corporais e permite o início da infecção. Por exemplo, a bactéria patogênica Neisseria gonorrhoeae, que causa a gonorréia.







Glicocálice

Algumas células bacterianas são circundadas por uma camada de material viscoso chamado glicocálice.
O glicocálice é composto de polímeros, grandes moléculas que são formadas por centenas ou milhares de unidades repetidas. Se o glicocálice estiver organizado de maneira definida e estiver acoplado firmemente à parede celular, ele é uma cápsula. Mas se estiver desorganizado e sem qualquer forma e ainda estiver acoplado frouxamente à parede celular, é então descrito como camada limosa.
Outras cápsulas, as heteropolissacarideas, contêm mais de um tipo de açúcar. Diferentes açúcares poderão ser encontrados em diferentes tipos de cápsulas de uma bactéria particular. Por exemplo, a cápsula tipo VI do Streptococcus pneumonias consiste em galactose, glicose e ramnose. Outros tipos capsulares desta bactéria causadora de pneumonia contêm outras combinações de açúcares A determinação dos constituintes da cápsula é normalmente um passo importante na identificação de cenas bactérias patogênicas.
O glicocálice apresenta diversas funções, dependendo da espécie bacteriana. A aderência é a principal delas, função que capacita a bactéria a aderir a várias superfícies, tais como pedras em águas de grande movimentação, raízes de plantas e dentes humanos. As cápsulas normalmente possuem muitos grupos polares e podem proteger a célula contra o dessecamento temporário, ligando-se a moléculas de água. Também podem servir como reservatório de alimentos. Podem ainda evitar a adsorção e lise da célula por bacteriófagos, que são vírus que atacam as bactérias. As cápsulas protegem as bactérias patogênicas da fagocitose por células sanguíneas da série branca, que defendem o corpo dos mamíferos, aumentando a chance de infecção.

Parede Celular

A parede celular de organismos procarióticos é uma estrutura rígida que mantém a forma característica de cada célula bacteriana. A estrutura é tão rígida que mesmo altas pressões ou outras condições físicas adversas raramente mudam a forma das células bacterianas. A parede celular previne a expansão e eventualmente o rompimento da célula devido à entrada de água. (A maioria das bactérias vive em ambientes que induzem a absorção de água pela célula.) A parede celular bacteriana é normalmente essencial para o crescimento e divisão da célula.

Propriedades e Composição Química da Parede Celular Bacteriana.

As paredes celulares não são estruturas homogêneas, mas são camadas de diferentes substâncias, que variam de acordo com o tipo de bactéria envolvida. Elas diferem em espessura, assim como em composição. Estas diferenças ajudam a identificar e classificar as bactérias.
Entre as eubactérias, as paredes celulares das espécies Gram-negativas são geralmente mais finas (10 a 15 nm) que as das Gram-positivas (20 a 25 nm). As paredes celulares de arqueobactérias Gram-negativas também são mais finas que as paredes celulares das arqueobactérias Gram-positivas.
Nas eubactérias, o componente da parede celular que determina a sua forma é em grande parte o peptideoglicano (algumas vezes chamado de mureina), que é um polímero poroso e insolúvel de grande resistência. Encontrado somente em procariotos, o peptideoglicano é uma molécula gigante, simples, que circunda a célula como uma rede Difere ligeiramente em composição química e estrutura de uma espécie para outra, mas a estrutura básica contém três tipos de unidades estruturais: (1) N-acetilglicosamina (NAG), (2) ácido N-acetilmurâmico (NAM) e (3) um peptídeo formado de quatro aminoácidos, ou tetrapeptídeo. Este tetrapeptídeo contém alguns D - aminoácidos.

Paredes de Eubactérias Gram-positivas.

Comparadas com as eubactérias Gram-negativas, as eubactérias Gram-positivas normalmente têm uma quantidade maior de peptideoglicano em sua parede celular, o que toma a parede muito espessa. O polímero representa 50% ou mais do peso seco da parede de algumas espécies Gram-positivas, mas somente em tomo de 10% da parede de espécies Gram-negativas. Muitas eubactérias Gram-positivas também contêm polissacarídeos denominados ácidos teicóicos na sua parede. Os ácidos teicóicos, que são polímeros de glicerol e ribitol fosfatos, estão ligados ao peptideoglicano ou à membrana citoplasmática. Carregados negativamente, eles podem ajudar no transporte de íons positivos para dentro e para fora da célula e no armazenamento de fósforo.

Paredes de Eubactérias Gram-negativas

Mais complexas que as paredes celulares de Gram-positivas, as paredes de eubactérias de Gram-negativas possuem uma membrana externa cobrindo uma camada fina de peptideoglicano. Como afirmado anteriormente, a camada de peptideoglicano das Gram-negativas representa somente 5 a 10% do peso seco da parede celular. Esta camada é encontrada no espaço periplasmático entre a membrana citoplasmática e a membrana externa. As bactérias Gram-positivas não possuem este espaço, assim como não têm uma membrana externa como parte de sua parede celular.
Mas é a membrana externa, não a camada de peptideoglicano, que distingue as bactérias Gram-negativas. Como a parede celular espessa das células Gram-positivas, a membrana externa serve como uma barreira seletiva que controla a passagem de algumas substancia para dentro e para fora da célula. Pode ainda causar efeitos tóxicos sérios em animais infectados.
Os lipolissacarídeos são característicos de bactérias Gram-negativas; as paredes celulares de bactérias gram-positivas não contêm tais substâncias. Os LPSs ocorrem somente na membrana externa e são compostos por três segmentos ligados covalentemente:
• Lipídeo A firmemente embebido na membrana;
• Cerne do polissacarídeo, localizado na superfície da membrana;
• Antígenos O, que são polissacarídeos que se estendem como pêlos a partir da superfície da membrana em direção ao meio circundante.

A porção lipídica de um LPS também conhecida como uma endotoxina pode atuar como um veneno causando febre, diarréia, destruição das células vermelhas do sangue e um choque potencialmente fatal. Diferente dos lipídeos na membrana citoplasmática, o Lipídio A não é composto de fosfolipídios, mas de ácidos graxas saturados.

Mecanismo da Coloração de Gram.

Agora que conhecemos a estrutura e a composição química da parede celular procariótica, é fácil compreender o mecanismo da coloração.
A diferença na coloração entre células de eubactérias Gram-positivas e
Gram-negativas são devido à sua relativa resistência ao descoramento pelo álcool.
Durante o processo da coloração de Gram, as células são tratadas com cristal violeta (corante primário) e em seguida com uma solução de iodo (um mordente). Isto resulta na formação de um complexo Cristal violeta-iodo (CVI) dentro das células. Quando uma bactéria Gram-negativa é tratada com etanol, o lipídeo na membrana externa é dissolvido e removido. Isto rompe a membrana externa e aumenta sua permeabilidade. Assim, o complexo corante pode ser removido, descorando a bactéria Gram-negativa (que pode então ser tingida com o corante de fundo safranina). Em bactérias Gram-positivas, o etanol faz com que os poros no peptideoglicano se contraiam, e o complexo corante CVI permanece no interior da célula.
Quando uma bactéria Gram-negativa é tratada com etanol, o lipídeo na membrana externa é dissolvido e removido. Isto rompe a membrana externa e aumenta sua permeabilidade. Assim, o complexo corante pode ser removido, descorando a bactéria Gram-negativa (que pode então ser tingida com o corante de fundo safranina ou fucsina). Em bactérias Gram-positivas, o etanol faz com que os poros no peptideoglicano se contraiam, e o complexo corante CVI permanece no interior da célula.

Membrana Citoplasmática

Estrutura e Composição Química da Membrana Citoplasmática.

A membrana citoplasmática tem aproximadamente 7,5 nm de espessura, é composta primariamente de fosfolipídios (20 a 30%) e proteínas (50 a 70%). Os fosfolipídios formam uma bicamada na qual a maioria das proteínas está embebida.
Cada molécula de fosfolipídios contém uma cabeça polar, com carga elétrica (a terminação fosfato) e uma cauda apolar, sem carga elétrica (a terminação hidrocarbônica).
Funções da membrana citoplástica

As células bacterianas não contêm organelas limitadas por uma membrana correspondente à mitocôndria e a cloroplastos de células eucarióticas. Ao contrário, as membranas citoplasmáticas de muitas bactérias estendem-se no citoplasma para formar túbulos chamados mesossomos. Eles são especialmente proeminentes em bactérias Gram-positivas.
Os mesossomos podem colocar-se próximos da membrana citoplasmática ou aprofundar-se no citoplasma. Os mesossomos profundos e centrais parecem estar ligados ao material nuclear da célula. Parece que eles estão envolvidos na replicação de DNA na divisão celular. Os mesossomos periféricos penetram muito pouco no citoplasma, não são restritos á localização central da bactéria e não estão associados com o material nuclear. Parecem estar envolvidos na secreção de certas enzimas a partir da célula, tais como as penicilinases que destroem a penicilina.

Difusão e Osmose Através da Membrana Citoplasmática

As células microbianas podem ser expostas a três tipos de condições osmóticas em um meio aquoso: isotônico, hipotônico ou hipertônico. Em uma solução isotônica, a concentração total dos solutos (assim como moléculas solventes) é a mesma em qualquer lado da membrana semipermeável; não há fluxo líquido de água para dentro ou para fora da célula. Em uma solução hipotônica, a concentração dos solutos no meio é mais baixa do que no interior da célula, desta forma a água entra na célula como um resultado da diferença de pressão osmótica. A maioria das bactérias cresce em meios hipotônicos, e o intercrescimento das células é contido pela parede celular rígida. Uma solução hipertônica tem uma concentração mais alta de solutos do que no interior da célula. A água deixa a célula por causa da pressão osmótica, fazendo com que a membrana citoplasmática contraia a partir da parede celular.

Estruturas Celulares Internas

As estruturas internas das células estão na região delimitada pela parede celular e membrana citoplasmática. O material delimitado pela membrana citoplasmática pode ser dividido em:
• A área citoplasmática, que é a porção fluida contendo substâncias dissolvidas e partículas tais como ribossomos,
• O material nuclear, ou nucleóide, que é rico em material genético, o DNA.
Área Citoplasmática

Em qualquer célula, o citoplasma tem em torno de 80% de água, além de ácidos nucléicos, proteínas, carboidratos, lipídeos, íons inorgânicos, muitos compostos de baixo peso molecular e partículas com várias funções. Este fluido denso é o sitio de muitas reações químicas, como aquelas envolvidas na síntese de componentes celulares a partir dos nutrientes. Ao contrário do citoplasma eucariótico, o citoplasma em procariotos não flui no interior celular. Portanto, não há evidência de que o citoplasma procariótico tenha um citoesqueleto, uma rede de fibrilas que ajudam a manter a forma da célula.
Área Nuclear

Uma célula bacteriana, diferentemente das células de organismos eucarióticos, não apresenta um núcleo delimitado por uma membrana distinta. Ao contrário, o material nuclear nas células bacterianas ocupa uma posição próxima do centro da célula. Parece estar ligado ao sistema membrana citoplasmática mesossomos. Este material nuclear total chamado nucleóide consiste em um cromossomo único e circular. O cromossomo é a estrutura interna das células que fisicamente carrega a informação hereditária de uma geração para a outra.
Formas Latentes de Microrganismos Procarióticos

Algumas espécies de bactérias produzem formas latentes chamadas esporos e cistos que podem sobreviver em condições desfavoráveis, tais como dessecamento e calor. Estas formas de repouso são metabolicamente inativas, o que significa que elas não estão crescendo. Entretanto, sob condições ambientais apropriadas, elas podem germinar (começar a crescer) e tornar-se células vegetativas metabolicamente ativas, que crescem e se multiplicam. No início da microbiologia, estas formas confundiam os microbiologistas. Algumas das primeiras tentativas de contrariar a teoria da geração espontânea falharam porque as condições experimentais não eliminavam as formas latentes de bactérias e fungos, permitindo que elas crescessem em espécimes tratados inadequadamente. No combate ao carbúnculo entre animais de fazendas, os microbiologistas eventualmente compreenderam que as formas latentes do bacilo do carbúnculo poderiam sobreviver no solo por anos.
Esporos

Os esporos que se formam dentro da célula, chamados endósporos, são exclusivos das bactérias. Eles possuem parede celular espessa, são altamente refrateis (brilham muito com a luz do microscópio) e altamente resistentes às mudanças do ambiente. Em técnicas de colorações para visualizar os esporos ao microscópio ótico comum, é necessário o aquecimento do material para que os mesmos absorvam o corante. Os endósporos, produzidos um por célula, variam em forma e localização dentro da célula.
Quando os endósporos são liberados da célula-mãe, ou esporângio pode sobreviver ao calor e ao dessecamento intensos e à exposição a compostos químicos tóxicos, como alguns desinfetantes. Por exemplo, os endósporos do Clostridium botulinum, a causa da intoxicação alimentar chamado botulismo, podem resistir à fervura por várias horas. As bactérias formadoras de endósporos são um problema na indústria alimentar porque elas sobrevivem a procedimentos de processamento que não sejam adequados. As células vegetativas são mortas por temperaturas acima de 70°C, mas a maioria dos endósporos pode resistir a 80ºC por até 10 min.

Bibliografia:

Microbiologia Conceitos e aplicações, Pelczar; Michael; Ed markon Books vol 2 2º edição.
Microbiologia, Luiz B; Trabulsi e Flavio Alterthum; Ed Atheneu.
Fundamentos de Robbins&cotran, Abbas; Abulk; Vinay; Mitchell Ed Elsevier.