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AVD – Bacteriologia
Importância do estudo dos microrganismos
- Reações metabólicas - Interações benéficas/nocivas
- Representam 2/3 do peso de toda a matéria viva existente na Terra
- Atualmente, os microrganismos são considerados a forma de vida dominante no mundo
- Vastidão do mundo microbiano o Bactérias o Microalgas o Fungos o Parasitas (protozoários) o Vírus Investigação Fundamental e Investigação Aplicada - < 2% população microbiana estudada Diversidade de microrganismos A diversidade microbiana pode ser observada em termos de variações de:
- Tamanho e morfologia celular
- Estratégias metabólicas
- Mobilidade
- Divisão celular
- Condições de desenvolvimento
- Adaptação a ambientes extremos Unicelulares - Bactérias, microalgas e muitos fungos e protozoários Multicelulares - Algumas algas (marinhas), fungos e parasitas Acelulares - Vírus (situação de limite matéria viva/ não viva)
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Bactérias
- Diversidade metabólica / versatilidade de interação;
- Mais de 10 milhões de espécies bacterianas;
- Grupo diversificado de microrganismos procariotas (unicelulares desprovidos de núcleo) com diferentes morfologias e fisiologias;
- Tamanho reduzido (m);
- Células bacterianas podem ser esféricas (cocos), alongadas (bacilos), espiraladas (espirilos e espiroquetas) - Formas menos comuns – hélice, vírgula, quadrada.
- 1 único cromossoma (DNA)
- Muitas bactérias possuem parede celular composta por peptidoglicano, flagelos e dividem-se por fissão binária;
- Utilização de uma grande variedade de substâncias para a sua nutrição
- Principal fonte de energia: Luz.
- Relação das bactérias com o Homem e outros animais: Comensais, Oportunistas, Patogénicas
- Sistema de classificação em 3 Domínios (Woese, 1977, 1990): ❖ Archaea - Bactérias que vivem em condições extremas ❖ Eubacteria / Bacteria - Maioria das bactérias ❖ Eukarya - Organismos eucariota Bactérias: Relação com o Homem e outros animais Comensais o Microflora normal/natural o Escherichia coli (bactéria indígena) o Corpo humano – 1013 células, >1014 bactérias (intestino) Oportunistas o Patogénicas em determinadas situações o Uso inadequado de antibióticos o Imunodeficiência Patogénicas o Presença associada a doença i
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Protozoários
- Organismos eucariotas unicelulares simples, não fotossintéticos, com motilidade;
- Dimensões entre 2 e 100 m;
- Grande diversidade morfológica e fisiológica;
- Não possuem parede celular;
- Heterotróficos, alimentam-se por absorção, ingestão ou englobando pequenos microrganismos;
- Poucos causam doença humana ou em animais: malária, doença do sono…
Vírus
- Seres acelulares (~2000 espécies);
- Dimensões muito reduzidas (20 a 300 nm);
- Apresentam core ou nucleóide de DNA ou RNA circundado por cápside de natureza proteica e nalguns casos por envelope;
- Grande diversidade: estrutura, organização genómica, estratégias de replicação e transmissão;
- Dependem das atividades metabólicas das células vivas para obter energia e sistemas enzimáticos para a sua replicação (parasitas intracelulares obrigatórios);
- Infeções temporárias / persistentes Caracterização dos Microrganismos Morfologia
- Tamanho, forma e arranjo das células
- Microscopia e colorações Nutrição e cultura
- Características culturais
- Nutrientes necessários para assegurar o crescimento
- Condições ambientais necessárias Metabolismo
- Tipos de metabolismo
- Testes bioquímicos e uso de meios específicos
5 Caracterização dos Microrganismos (cont.) Antigenicidade
- Caracterização antigénica
- Técnicas serológicas - Utilização de anticorpos que reagem especificamente com o antigénio que se pesquisa Distribuição da população microbiana na Natureza Microrganismos presentes em toda a parte e com enorme diversidade → Distribuição universal – Solo, água, ar
Microbiologia do Solo
- Maior reservatório de microrganismos (abundância e diversidade);
- Ocorrência depende de diversos fatores: Tipo de solo, profundidade, temperatura, regime hídrico, outros fatores ambientais;
- Apenas 1% dos microrganismos do solo está identificado;
- Abundância de microrganismos num dado local determinada por vários fatores: Fonte de C adequada, Fonte de energia adequada, Outros nutrientes, Regiões temperadas – 20 t/ha
Rizosfera
7 Reciclagem de matéria orgânica - Ciclos biogeoquímicos ❖ Carbono ❖ Azoto ❖ Enxofre ❖ Ferro ❖ Oxigénio
Ciclo do azoto
Vários estados de oxidação. O azoto gasoso corresponde à forma mais estável. → A atmosfera é o maior reservatório (ao contrário do carbono). Fixação de N2 (biológica ~85%) N2 NH3 aminoácidos Plantas, animais e maior parte dos microrganismos dependem das formas de azoto combinado (amónia, nitrato, compostos orgânicos)
8 Organismos fixadores de azoto (diazotróficos)
- Aeróbios (Azotobacter) / anaeróbios (Clostridium) /anaeróbios facultativos (Bacillus)
- Vida livre (Azotobacter, Clostridium e Bacillus) /associação simbiótica (Rhizobium, Frankia) - Plantas leguminosas Fixação de N
- N2 + 6H⁺ + 6e- + 12ATP → 2NH3 + 12ADP + 12P
- Todas as bactérias fixadoras de N2 têm nitrogenase - complexo de 2 enzimas ↓ Inativação por O Amonificação
- CH3 - CHNH2 - COOH + ½O2 → CH3 - CO-COOH + NH alanina ác. pirúvico amoníaco ↓ NH4⁺ amónia
- Azoto no solo em moléculas orgânicas (proteínas e ácidos nucleicos).
- Organismos mortos – azoto orgânico convertido em aminoácidos e bases azotadas. Amoníaco / Amónia
- Amoníaco/amónia formados o Incorporação na biomassa o Substrato para a nitrificação
- Organismos amonificantes – bactérias e fungos Microrganismos
10 Ciclo do carbono
- CO2 atmosférico - Via mais rápida de transferência de carbono (2600 x 10e9t)
- Fotossíntese remove 129 x 10e9t CO2 - Síntese de novo C orgânico
- Bactérias litoquimioautotróficas também são capazes de fixar CO
- CO2 fixado devolvido à atmosfera através da respiração
- C orgânico produzido via fotossíntese o Degradação CH 4 CO
- Reinício do ciclo do C
Ciclo do enxofre
- Elemento essencial das células
- 1% da matéria seca
- Constituinte de aminoácidos e fatores de crescimento
- Compostos sulfurados envolvidos no ciclo do S - H2S, S, SO3^2 -^ , SO4^2 -^ , SO3^2 -
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Microbiologia da Água
Água
- Recurso essencial à vida
- Doenças associadas à água- Rede de saneamento básico, disseminação de práticas higiénicas adequadas Qualidade da água
- Conjunto das suas características físicas, químicas e biológicas e a sua adequação para determinados usos diretos ou potenciais.
- De acordo com os fins a que se destina.
- Valores paramétricos. Distribuição da população microbiana na água Águas superficiais: águas que se situam à superfície da terra (ou perto) e não sofreram os efeitos de uma filtração, através das camadas espessas do solo. Maior atividade microbiana. Águas subterrâneas: provenientes de poços protegidos e nascentes profundas. A sua pureza depende da natureza dos terrenos vizinhos (poder filtrante). Menor atividade microbiana Rios: costumam ser muitos poluídos, quer pelos microrganismos naturais, quer pelos resíduos de esgotos → número elevado de microrganismos; Mar: o número de microrganismos é menor que em água doce, mas junto à costa o número é mais elevado; Lagos: possuem águas muito mais puras que as que neles desaguam. Devido ao natural armazenamento de água verifica-se um processo contínuo de auto-purificação (< microrganismos); Poços: quando protegidos contêm apenas um número reduzido de microrganismos.
13 Doenças ligadas à ingestão de água contaminada com agentes patogénicos de origem fecal
- Bactérias (coliformes, Salmonella, Shigella, Vibrio,…)
- Enterovírus
- Protozoários
- Parasitas intestinais Doenças ligadas ao contacto com água contaminada
- Resultam principalmente de situações de carência hídrica;
- Nível intestinal, olhos, pele, febre tifoide e doenças similares Doenças resultantes do habitat hídrico e relacionadas com a presença de vetores específicos
- Mosquitos (ex. malária, dengue,…)
- Moscas (ex. doença do sono, cegueira dos rios, …) Qualidade (Microbiológica) da Água Controlo da qualidade microbiológica da água Para avaliar a presença potencial de organismos patogénicos Indicadores clássicos - Coliformes totais, Coliformes fecais
Microbiologia do Ar
Ar livre Carga microbiana influenciada por vários fatores:
- Densidade populacional e animal;
- Quantidade de vegetação;
- Natureza dos solos;
- Temperatura e humidade atmosférica;
- Intensidade e direção dos ventos. Ar confinado Contaminação pode resultar da libertação de:
- Poeiras
- Gotículas
- … Enterobacteriaceae Habitantes usuais do trato intestinal
14 Importância da Microbiologia: Áreas de Aplicação Microrganismos → fontes de pesquisa acessíveis para investigar a natureza dos processos biológicos
- Simplicidade anatómica / estrutural;
- Crescimento rápido em condições controladas;
- Facilidade de obtenção de uma grande população homogénea;
- Propriedades bioquímicas semelhantes às dos organismos pluricelulares;
- Facilidade de uso em estudos genéticos. Os microrganismos são usados e controlados
- em benefício do Homem;
- na resolução de problemas práticos;
- em diferentes áreas (Biotecnologia, Agricultura, Ambiente, Indústria, Medicina). Agricultura
- Aumento da fertilidade do solo (ciclos biogeoquímicos);
- Combate de doenças. Indústria
- Produção industrial de antibióticos (cloranfenicol por Streptomyces venezuelae, penicilina por Penicillium notatum);
- Produção de pão, vinho, cerveja, queijo, iogurte. Ambiente
- Tratamento de efluentes urbanos e industriais;
- Biorremediação. Medicina
- Uso de microrganismos geneticamente modificados para a produção de substâncias importantes (ex. insulina);
- Vacinas.
16 Características que diferenciam células Procariotas de Eucariotas (Específicas):
- Material genético não envolvido por membrana
- Não possuem organelos revestidos por membrana
- DNA não associado a proteínas histonas
- Parede celular contém peptidoglicano
- Divisão celular por fissão binária Estrutura morfológica e bioquímica dos componentes celulares
- Protoplasto Unidade citoplasmática de tipo procariótico contida numa membrana citoplasmática. É uma solução coloidal complexa, de pequenos metabolitos e macromoléculas, principalmente proteínas, enzimas – contendo a aparelhagem ribossómica e na qual mergulha diretamente o material genético. O protoplasto pode constituir a totalidade da célula procariótica viva (ex. Mycoplasma).
- Nucleóide Ausência de membrana nuclear
- 1 cromossoma - DNA circular, superenrolado; Não associado a histonas
- DNA plasmídico - Propriedades adicionais
- Membrana Citoplasmática (MC) Constituída por uma bicamada fosfolipídica onde se inserem proteínas periféricas e integrais; Organização equivalente à das células eucariotas:
- Maior proporção proteína/fosfolípido
- Funções biossintéticas e energéticas Diferenças quantitativas e qualitativas na composição fosfolipídica: Fosfatidilglicerol, cardiolipina, fosfatidiletanolamina Não possui esteróis (colesterol, ergosterol).
- Exceção Mycoplasma
- Alguns grupos – hopanóides – estabilização da membrana citoplasmástica Archaea – lípidos especiais
- Glicerolípidos, sulfolípidos, glicolípidos, …
17 Biomembrana trilaminar com espessura de 5 a 10 nm Estrutura de permeabilidade seletiva
- Moléculas lipofílicas √
- Moléculas hidrofílicas x Controlo do fluxo de solutos entre o ambiente e o interior celular. Alterações de permeabilidade da MC
- Efluxo de K+
- Efluxo de nucleótidos intracelulares Funções de biossíntese (peptidoglicano) e bioenergéticas (metabolismo oxidativo).
- Parede Celular (PC) Nota: Todas as bactérias possuem parede celular, à exceção de Mycoplasma, halófilos e formas L. Estrutura rígida que previne a rutura osmótica das células bacterianas (proteção mecânica)
- Peptidoglicano
- Fragilidade da MC Responsável pela morfologia bacteriana e pelo duplo comportamento das bactérias face à coloração de Gram (afinidades tinturiais) » significado taxonómico.
- Gram-positivo
- Gram-negativo Diretamente relacionada com mecanismos da patogénese bacteriana. É alvo de ação de muitos antimicrobianos utilizados
19 A parede celular das bactérias Gram+ e Gramapresenta diferenças relativamente à ultra-estrutura e composição química, e admite-se que essas diferenças são responsáveis pelo comportamento diferencial das bactérias face à coloração de Gram.
- Bactérias Gram-positivo - Cor roxa (Violeta de cristal)
- Bactérias Gram-negativo - Cor vermelha (Safranina)
Parede Celular Gram-Positivo Parede Celular Gram-Negativo
Bacillus cereus Staphylococcus aureus Streptococcus faecalis Eschericia coli Salmonella Pseudomonas Peptidoglicano - 50 - 70% peso seco da PC. Mais complexa quanto à composição química e estrutura Monocamada justaposta à MC Peptidoglicano - 10% peso seco da PC (baixo teor em cross-linking) Estrutura eletrodensa Barreira à penetração de compostos hidrofóbicos e hidrofílicos Rígida Homogénea Espessa (15-50 nm) Estrutura não homogénea Não oferece resistência à difusão de antibióticos e macromoléculas Estratificada - 2 camadas:
- Camada rígida (R) – peptidoglicano (2-3 nm)
- Membrana externa (ME) (7,5 nm) Ácidos teicóicos e teicurónicos associados ao peptidoglicano Tratamento com lisozima
20 Parede Celular Gram-negativo Membrana externa (ME):
- Fosfolípidos
- Lipoproteínas
- Proteínas
- Polissacarídeos
- Lipopolissacarídeos (LPS)
- Barreira na difusão de antibióticos
- Envolvimento na conjugação e divisão celular
- Sistema de entrada para nutrientes (Fe, vitaminas, açúcares…)
- Poros que permitem a passagem de substratos de baixo PM. Parede Celular Gram-negativo Lipopolissacarídeo (LPS)
- Principal endotoxina bacteriana
- Região polissacarídica (hidrófila) e lípido A (hidrófoba)
- LPS ancorado na ME através do seu lípido A
- Responsável pelas manifestações clínicas que ocorrem durante a infeção por bactérias Gram-negativo (febre, inflamação e choque séptico);
- Participa na ativação de macrófagos e linfócitos;
- Ação sobre o sistema do complemento;
- Superantigénio – resposta imune exacerbada no hospedeiro. Lipopolissacarídeo (LPS) (Salmonella)
- Região polissacarídica O – contribui para a especificidade antigénica O da espécie bacteriana.
- Núcleo polissacárido – região central do LPS, formado por resíduos de açúcares e compostos menos usuais (L-gliceroD-manoheptose e ácido 3-desoxi-D-mano- octosonóico).
- Lípido A - porção tóxica ativa.
