Apostilha de Micro, Notas de estudo de Ciências Biologicas

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DA BAHIA

Departamento de Ciências Naturais

MICROBIOLOGIA

Morfologia

E

Citologia Bacteriana

Profª Maria Lucia Garcia Simões

CARACTERIZAÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DOS MICRORGANISMOS

A caracterização e a classificação dos organismos vivos são os principais objetivos em todos os ramos da Ciência Biológica. A partir do momento em que um organismo é completamente conhecido, torna-se possível fazer comparações com outros, determinando semelhanças e diferenças. As comparações das características de grande número de microrganismos resultam, eventualmente, num sistema de agrupamento das espécies semelhantes. Por fim, cria-se um grupo com características muito semelhantes, que é considerado como uma espécie e recebe um nome específico, isto é, o microrganismo adquire um nome. Por serem individualmente tão pequenos que não podem ser visualizados sem ajuda de um microscópio, não é prático trabalhar com um único indivíduo. Por esta razão estudam-se culturas, que contêm milhares, milhões e até mesmo bilhões de indivíduos. Uma cultura que consiste em uma única espécie de microrganismo (uma espécie viva), independentemente do número de indivíduos, num ambiente livre de outros organismos vivos, é chamada de cultura axênica. Os microbiologistas usualmente se referem a tais culturas como culturas puras, embora, no sentido técnico estrito, a cultura pura seja aquela que se origina do crescimento de uma única célula. Se dois ou mais tipos (espécies) crescem juntos, como normalmente ocorre na natureza, passam a constituir uma cultura mista. Antes de identificar e classificar um microrganismo, suas características devem ser determinadas com detalhes adequados. As principais incluem as seguintes:

1. Características culturais : os nutrientes exigidos para o crescimento e as condições físicas do ambiente que favorecem o desenvolvimento. 2. Características morfológicas : as dimensões das células, seus arranjos, a diferenciação e a identificação de suas estruturas. 3. Características metabólicas : a maneira pela qual os microrganismos desenvolvem os processos químicos vitais. 4. Características da composição química : a identificação dos principais e típicos constituintes químicos da célula. 5. Características antigênicas : a detecção de componentes especiais da célula (químicos) que fornecem evidências de semelhança entre as espécies. 6. Características genéticas : a análise da composição do ácido desoxirribonucleico (DNA), assim como a determinação das relações entre o DNA isolado de diferentes microrganismos.

As células bacterianas cilíndricas ou em bastonetes ( bacilos ) comumente apresentam-se isoladas e ocasionalmente ocorrem aos pares (diplobacilos) ou em cadeias (estreptobacilos). (Figura 3). Quando os bacilos se arranjam paralelamente uns aos outro o arranjo denomina-se paliçada (ex. bacilo da difteria) e quando formam um aglomerado com íntima ligação entre as células o arranjo denomina-se tricoma (Ex: espécies Beggiatoa e Saprospira) .

Figura 3 - Bactérias tipicamente cilíndricas (bacilos) e seus arranjos.

As bactérias espiraladas (singular = spirillum ; plural = spirilla ) ocorrem, predominantemente, como células isoladas. As células individuais de espécies diferentes exibem, contudo, nítidas diferenças no comprimento, número e amplitude das espirais e na rigidez das paredes celulares (Figura 4). Os espirolos possuem corpo rígido e se movem às custas de flagelos externos, dando uma ou mais voltas espirais em torno do próprio eixo. Ex: Aquaspirillium. Espiroquetas: São flexíveis e locomovem-se provavelmente às custas de contrações do citoplasma, podendo dar várias voltas completas em torno do próprio eixo. Ex: Treponema pallidum , Treponema denticola. Além desses três tipos morfológicos, existem algumas formas de transição. Quando os bacilos são muito curtos, podem se assemelhar aos cocos, sendo então chamados de cocobacilos (Ex: Brucella melitensis ). Quando as formas espiraladas são muito curtas, assumindo a forma de vírgula, eles são chamados de vibrião (Ex: V. cholerae ) (figura 5).

Figura 5 - Formas de transição

Figura 4 - Bactérias espiraladas. (A) célula de Leptospira mostrando o filamento axial típico. Micrografia eletrônica, x 71.526. (B) Spirillum itersonii visto ao microscópio eletrônico, x 33.600. (C) Rhodospirillum rubrum , x 1.220. (D) Spirochaeta stenostrepta , x 23.000. (E) Methanospirillum hungatii , uma nova espécie da bactéria gram-negativa que ocorre em filamentos de até 100m de comprimento. (fonte: Pelczar et al_._ , 1980)

ULTRA-ESTRUTURA DAS BACTÉRIAS

O estudo da ultra – estrutura das bactérias engloba as estruturas externas e internas à parede celular. As estruturas externas à parede são a membrana externa (nas bactérias Gram negativas), os flagelos, cílios e cápsula. As estruturas internas são a membrana citoplasmática, o citoplasma e as inclusões citoplasmáticas (Figura 8).

Figura 8 - Principais estruturas celulares que ocorrem em células bacterianas. Certas estruturas, como por exemplo, grânulos ou inclusões, não são comuns a todas as células bacterianas (fonte: Pelczar et al, 1996).

ESTRUTURAS BACTERIANAS EXTERNAS À PAREDE CELULAR Obs: a membrana celular externa será descrita juntamente com o estudo da parede celular

1 - Flagelos : são organelas especiais de locomoção, constituídas por uma estrutura protéica denominada flagelina, formando longos filamentos delgados e ondulados de 3-12 μm que partem do corpo da bactéria e se estendem externamente à parede celular (Figura 9). Um flagelo tem três partes: o corpo basal (estrutura composta por vários anéis que ancora o flagelo à membrana citoplasmática), uma estrutura curta em forma de gancho e um longo filamento helicoidal.

O flagelo propulsiona a bactéria através do líquido podendo chegar a 100 μm por segundo (o equivalente a 3000 vezes o seu comprimento por minuto). O método exato do movimento é desconhecido (contração das cadeias protéicas –movimento ondulatório; movimento rotatório a partir da extremidade fixa – gancho) e aparentemente a energia vem da degradação de ligações energéticas de fosfato. Algumas bactérias se movimentam por outros meios, diversos da atividade flagelar, como o deslizamento provocado pelo fluxo protoplasmático ou pela resposta táxica (p.e., fototaxia, quimiotaxia). As bactérias recebem denominações especiais de acordo com a distribuição dos flagelos (Figura 10): atríquias (sem flagelo); monotríquias (um flagelo em uma das extremidades); anfitríquias (um flagelo em cada extremidade); lofotríquias (tufo de flagelos em uma ou ambas as extremidades); e peritríquias (cercadas de flagelos).

Figura 9 - Desenho de um corpo basal ilustrando sua estrutura e a fixação a bactérias Gram- negativas. O flagelo de bactérias Gram-positivas tem somente dois anéis (um par) que fixam o flagelo à membrana celular (fonte: Pelczar et al_._ , 1996).

Figura 10 – Tipos de flagelos

Polares Lofotríqueos

Peritríqueos

3 – Glicocálice / Cápsula: formado de uma substância viscosa, que forma uma camada de cobertura ou envelope ao redor da célula. Se o glicocálice estiver organizado de maneira definida e estiver acoplado firmemente à parede celular, recebe o nome de cápsula ; se estiver desorganizado e sem qualquer forma e anda estiver frouxamente acoplado à parede celular, recebe o nome de camada limosa. O glicocálice pode ter natureza polissacarídica (um ou vários tipos de açúcares como p.e., galactose, ramnose, glicana, etc.) ou polipeptídica (p.e., ácido glutâmico). A principal função do glicocálice é a aderência sobre superfícies; ele pode evitar o dessecamento das bactérias, fornece um envoltório protetor, confere resistência à fagocitose, e formando biofilmes conferem resistência a biocidas e pode servir, também, como reservatório de alimentos, além de evitar a adsorção e lise das células por bacteriófagos (figura 12).

Figura 12 - Bactérias capsuladas. (A) Klebsiella pneumoniae. (B) Bactéria capsulada formadora de limo, isolada em uma fábrica de papel. Notar as cápsulas extremamente grandes (áreas claras), ao redor de cada uma das células. (fonte: Pelczar et al., 1980).

PAREDE CELULAR

A parede celular é quem dá forma à célula e situa-se abaixo das substâncias extracelulares (glicocálice) e externamente à membrana que está em contato imediato com o citoplasma. Sua espessura é calculada, em média, de 10 a 25 nm. A função da parede celular é a de proporcionar uma moldura rígida, ou "colete", que suporta e protege as estruturas protoplasmáticas mais lábeis, em face das possíveis lesões osmóticas; evita

ainda a evasão de certas enzimas, assim como o influxo de certas substâncias que poderiam causar dano à célula. Nas eubactérias, o peptideoglicano (ou mureína), um composto polimérico, é o componente da parede celular que determina sua forma. A parede celular das bactérias Gram-positivas (Figura 13) é constituída por ácido teicóico, além do peptideoglicano, que corresponde a uma fração maior (90 % da parede - 20 camadas) que a encontrada na parede das bactérias Gram-negativas (10% da parede - 2 camadas). .

Figura 13 - Parede celular de bactérias Gram-positivas (fonte: Prescott et al_._ , 1996).

A parede das bactérias Gram-negativas (Figura 14) é mais complexa que a parede das Gram-positivas, pois possui uma MEMBRANA EXTERNA cobrindo uma camada fina de peptideoglicano (cerca de 20 camadas). Esta membrana externa é constituída por fosfolipídeos, proteínas e lipopolissacarídeos (LPSs). Os LPSs (Figura 15) são compostos por três segmentos ligados covalentemente: (1) lipídeo A, firmemente embebido na membrana; (2) cerne do

A Figura 15 apresenta as principais diferenças entre a parede celular das bactérias Gram positivas e negativas

Figura 15 - Diferenças entre a parede celular das bactérias Gram positivas e negativas

Compostos que afetam a Integridade da Parede Celular

Ação da Lisozima na PC : Esta enzima, sintetizada por alguns organismos e por glândulas endócrinas do homem, age clivando as ligações do tipo -1,4, presentes no peptideoglicano. Nas células Gram positivas, o tratamento com lisozima origina protoplastos (células sem parede celular), enquanto nas Gram negativas, a lisozima origina esferoplastos (células com resquícios de parede celular).

Ação da penicilina na PC : Este antibiótico impede a ligação dos tetrapeptídeos. A droga se liga

Resistência à MMaaiiss rreessiisstteenntteess Me^ Mennooss rreessiisstteenntteess

desintegração

mecânica

ReRellaattiivvaammeennttee ccoommpplleexxaass ReRellaattiivvaammeennttee ssiimmpplleess paparraa mmuuiittaass eessppéécciieess

Exigências nutritivas

Inibição pelos corantes IInniibbiiççããoo aacceennttuuaaddaa MMeennoorr iinniibbiiççããoo

básicos (CV)

Sensibilidade à MaMaiiss sseennssíívveeiiss MMeennooss sseennssíívveeiiss

penicilina

AAllttoo tteeoorr ddee lliippííddiiooss ((1^11 1-- 222 2%%))

BaBaiixxoo tteeoorr eemm lliippííddiiooss ((11-- 4% 4 %))

Composição da parede

celular

CCaarraacctteerrííssttiiccaa GGrraamm--ppoossiittiivvaass GrGraamm--nneeggaattiivvaass

irreversivelmente às PBPs, que são proteínas envolvidas no processo de biossíntese do peptideoglicano. Paralelamente, as autolisinas, que atuam em conjunto com a maquinaria de biossíntese, passam a degradar porções do peptideoglicano. Como a síntese está bloqueada, o resultado líquido é a formação de uma parede defeituosa.

MEMBRANA CITOPLASMÁTICA

Fina membrana situada abaixo da parede celular (figura 16). Sua espessura é da ordem de 7,5 nm e é composta de fosfolipídeos (20 a 30%), que formam uma bicamada que envolve as proteínas (50 a 70%). A membrana é o sítio da atividade enzimática específica e do transporte de moléculas para dentro e para fora da célula. Em alguns casos, a membrana se estende no citoplasma para formar o mesossomo. Os mesossomos são invaginações da membrana citoplasmática que podem ser simples dobras ou estruturas tubulares ou vesiculares. Eles podem colocar-se próximos à membrana citoplasmática ou afundar-se no citoplasma. Os mesossomos profundos e centrais parecem estar ligados ao material nuclear da célula estando envolvidos na replicação de DNA e na divisão celular. Os mesossomos periféricos penetram muito pouco no citoplasma, não são restritos à 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. Alguns autores associam ainda aos mesossomos o valor funcional das mitocôndrias, atribuindo a eles papel na respiração bacteriana.

Figura 16 – Interpretação esquemática da estrutura da membrana citoplasmática. Os fosfolipídeos estão arranjados em uma bicamada de tal forma que as partes polares (esferas) estão voltadas para a face externa e as partes não- polares (filamentos) estão voltadas para a face interna. Também são mostrados os componentes protéicos (fonte: Pelczar et al_._ , 1996)

resistentes a agentes físicos (dessecação e aquecimento) e químicos (anti-sépticos) adversos devido a sua parede ou capa impermeável composta de ácido dipicolínico. Os esporos surgem quando a célula bacteriana não se encontra em um meio ideal para o seu desenvolvimento. A bactéria produtora pode crescer e multiplicar-se por muitas gerações como células vegetativas. Em alguma etapa do desenvolvimento, em ambiente com exaustão de fontes de carbono e nitrogênio ou completa falta de nutrição, ocorre no interior do citoplasma vegetativo a síntese do esporo (sua formação leva por volta de 6 horas). Ela é iniciada pela duplicação do DNA, que migra para a extremidade da célula enquanto o citoplasma começa a invaginar e circundar o DNA sob a forma de membrana dupla. O peptoglicano começa a se formar entre as duas camadas de membrana. A invaginação termina e o esporo é liberado. Os esporos têm pouca atividade metabólica, podendo permanecer latente por longos períodos, representando uma forma de sobrevivência e não de reprodução.

Figura 17 - [ A ] Localização, tamanho e forma dos endósporos em células de várias espécies de Bacillus e Clostridium. [ B ] Alterações estruturais na célula bacteriana durante a esporulação (fonte: Pelczar et al., 1996).