Aula 5NutriçãoECrescimento NHT-1056Microbiologia

NHT-1056 Microbiologia

Santo André - Outubro de 2016 Prof . Antônio Sérgio Kimus Braz Prof . Antônio Sérgio Kimus Braz

Aula 5 Nutrição E

Crescimento

Nutrição e Crescimento

Todos organismos (incluindo procariotos) necessitam de nutrientes:

nutrição crescimento multiplicação

(reprodução)

Requerimentos nutricionais

• substâncias essenciais para o crescimento;

• muito variável para organismos diferentes;

• distribuição dos organismos depende da

disponibilidade dos requerimentos nutricionais;

• reflete a composição química da célula;

• a água.

E o que mais?????

30%

compostos químicos

70% H

O

íons, moléculas pequenas (4%) fosfolipídios (2%) DNA (1%)

RNA (6%)

proteínas (15%)

polissacarídeos (2%)

M A C R O M O LÉ C U LA S CÉLULA DE

BACTERIA

Micromo

léculas

-O crescimento de uma população bacteriana depende da quantidade de nutrientes

-A concentração inicial de um nutriente pode afetar -taxa do crescimento

-tamanho final da população

-Nutrientes são usados no metabolismo= Conjunto de atividades químicas realizadas no organismo

Requerimentos nutricionais

Requerimentos básicos de todas bactérias

Nutrientes: utilizados no metabolismo, participando na formação dos componentes celulares e na obtenção de energia (compostos orgânicos e inorgânicos)

Vias anabólicas: conjunto de processos biossintéticos que requerem energia e formam os componentes

celulares a partir de moléculas menores (nutrientes).

Vias catabólicas: conjunto de processos de

degradação de moléculas nutrientes que liberam energia.

Metabolismo

Categorias de nutrientes: classificados de acordo com a sua importância e concentração na célula bacteriana (Compostos orgânicos e inorgânicos)

Macronutrientes

Elementos necessários em grandes quantidades. Formam os componentes essenciais das bactérias.

Micronutrientes

Elementos requeridos em quantidades mínimas.

Normalmente são íons metálicos. Em meio de cultura não é necessário adicioná-los porque estão presentes na água

(contaminação da água).

Fatores de crescimento

Elementos requeridos em quantidades baixas e somente por

algumas bactérias que não podem sintetizá-los.

Macronutrientes Micronutrientes Fatores de crescimento

Carbono Manganês Purinas e pirimidinas

Nitrogênio Cobalto Aminoácidos

Enxofre Zinco Vitaminas

Fósforo Cobre Ácidos graxos insaturados

Hidrogênio Colesterol

Oxigênio Poliaminas

Potássio Colinas

Magnésio Outros

Cálcio Sódio

Ferro

Elemento % na célula Função fisiológica

Carbono 50 Constituinte de todos os componentes orgânicos

Oxigênio 20 Constituinte da água celular e componentes orgânicos Nitrogênio 14 Constituinte das proteínas, ácidos nucléicos, coenzimas Hidrogênio 8 Constituinte da água celular e componente orgânicos

Fósforo 3 Constituinte de ácidos nucléicos, fosfolipídios, coenzimas Enxofre 1 Constituinte de alguns aminoácidos e coenzimas

Potássio 1 Importante cátion inorgânico e cofator de atividades enzimáticas

Sódio 1 Um dos principais cátions inorgânicos no transporte de membrana

Cálcio 0.5 Importante cátion inorgânico e cofator de atividades enzimáticas

Magnésio 0.5 Importante cátion inorgânico e cofator de atividades enzimáticas

Ferro 0.2 Constituinte do citocromo e de algumas proteínas

Restante ~0.3

Carbono

Fontes de carbono na natureza:

-compostos inorgânicos= CO2

-compostos orgânicos= compostos que contém carbono,

hidrogênio e outros compostos como

oxigênio, nitrogênio, fósforo..

Compostos orgânicos:

transporte enzimas

Algumas fontes de C devem ser hidrolisadas fora da célula: enzimas extracelulares  polímeros de glicose, amido, celulose.

Carbono

Fontes de energia

Glicose= fonte de energia primária para maioria das bactérias (outros compostos orgânicos pré-formados utilizados como

fonte de energia: carbohidratos, aminoácidos, lipídeos)

Glicose

síntese de ATP

degradação

ATP= fonte de energia para processos enzimáticos

Oxigênio

 Assim como C é componente de moléculas orgânicas e da água

 aceptor final de elétrons das células na respiração

(aeróbicos...)

Nitrogênio

Componente das bases nucleotídicas , dos aminoácidos, e

outros tipos de moléculas orgânicas..

Nitrogênio

Fixação do Nitrogênio significa a conversão de N

em NH

(amônia)

1. Fixação biológica: bactérias de vida livre, bactérias que vivem no solo 2. (enzima nitrogenase)

3. Nitrificação: bactérias transforma a amônia em nitritos e nitratos

4. Denitrificação: algumas espécies de bactérias devolvem o nitrogênio molecular para atmosfera, convertem amômia em N

ETAPAS DO CICLO DO NITROGÊNIO:

Bacteria denitri ficantes

ETAPAS DO CICLO DO NITROGÊNIO

Fixação Biológica do Nitrogênio

1.Bactérias de vida-livre:

a) anaeróbicos obrigatórios, e.g. Clostridium pasteurianum

b) Anaeróbicos facultativos, e.g., Klebsiella, relacionada a E. coli.

c) Bactérias fotossintetizantes, e.g. Rhodobacter d) Muitas cianobactérias (algas azuis)

e) Aeróbicos obrigatórios , e.g. Azotobacter f) muitos metanogênicos

g) Actinomiceto Frankia

2. Bactérias simbiontes:

a. Rhizobium and Bradyrhizobium que habitam nódulos em raízes de plantas leguminosas (feijão, soja, ervilha)

b. Anabaena azollae, cianobactéria que vive nos poros de uma planta aquática chamada Azolla

(associação utilizada para enriquecer com N, plantio de arroz)

C . Gluconacetobacter diazotrophicus e

Herbaspirillum spp em cana de açucar

Rhizobium

Nitrificação por quimioautótrofos:

Bactérias do gênero Nitrosomonas oxida amônia  NO ^2- Bactérias do gênero Nitrobacter oxida nitritos  _NO ^3-

Nitrificação é a oxidação biológica da amônia com

oxigênio em nitrito seguido de oxidação desses nitritos

em nitratos.

Denitrificação: é um importante processo biológico para retornar o nitrogênio fixado para a atmosfera.

Respiração anaeróbica do NO ^3-  N2 por várias espécies de Psuedomonas denitificans, Alkaligenes, e Bacillus

(interação de vários organismos)

Hidrogênio

- Obtido da água e compostos orgânicos.

Fósforo

-Obtido a partir de fosfatos inorgânicos (PO ₄ )

-Componente dos ácidos nucleicos, nucleotídeos,

fosfolipídeos, ATP

Enxofre

 Obtido a partir de sulfato (SO ₄ ), sulfeto de hidrogênio

(H ₂ S), sulfeto (S- ² ) e compostos sulfurados orgânicos (cisteína, cistina, e metionina).

Potássio

 Obtido a partir de sais de potássio;

 Cofator para várias enzimas

 Importante nos ribossomos.

Magnésio

 Obtido na forma de sais de magnésio;

 Importante para estabilizar os ribossomos;

 Se ligam aos ácidos teicóicos.

Cálcio

 Obtido na forma de sais de cálcio;

 Importante para estabilizar a parede celular;

 acumula durante a formação de endosporos.

Ferro

 Obtido em forma de sais de ferro;

 papel importante na respiração celular (parte dos citocromos e proteínas ferro-enxofre que são

transportadoras de elétrons na cadeia respiratória;

 importantes para replicação, glicólise, síntese de DNA;

 importante para o crescimento de bactérias patogênicas.

 alga cianoficias e bactérias da superfície do mar

tem problema para conseguir esse elemento, algumas usam substâncias chamadas de sideroforos (para

pescar quantidades ínfimas do elemento...)

e outras substituem por outros elementos ...

Sódio

 Requerido por algumas bactérias;

 bactérias marinhas e arqueas halófitas tem um algo teor de sódio e o requerem para o seu

crescimento.

Elementos Função e localização

Manganês Presente nas enzimas que quebram a água no fotossistema II dos fototróficos oxigênicos e nas superóxido desmutases. Ativadores de muitas enzimas

Cobalto Presente na vitamina B 12 (cobalamina), transferência de gurpos CH 3

Zinco Presente em várias enzimas: metalopeptidases, metaloenzimas, DNA e RNA polimerases e nas proteínas ligadoras de DNA.

Cobre Enzimas envolvidas na respiração: citocromo oxidase, fotossíntese Molibdênio Enzimas contendo flavinas, molibdênio nitrogenases, nitrato redutases Cromo Metabolismo de glucose

Níquel Ureases e hidrogenases (e organismos metagonenicos) Selênio Ocorre no tRNA , (selenometionina (21º aa)

Tungstênio Presentes em enzimas de hipertermófilos

Vanádio Bromoperoxidases e nitrogenases dependente de vanádio

Micronutrientes

Fatores de crescimento

-Purinas e pirimidinas= necessárias para a síntese de ácidos nucleicos

-Aminoácidos= necessários para a síntese de proteínas -Vitaminas= cofatores e grupos funcionais de enzimas.

E. coli= não requer nenhum cofator. São capazes de sintetizar purinas, pirimidinas, aminoácidos e vitaminas

Lactobacillus= requerem purinas, pirimidinas, vitaminas e vários

aminoácidos

Vitamina Coenzima Função

PABA Precursor de ácido fólico

Ácido fólico tetraidrofolato Transferência de grupos metila, síntese de tiamina, bases purina, serina, meitonina e pantotenato

Biotina carboxilases Biosíntese de ácidos graxos, fixação de CO2, metabolismo de leucina, isoleucina, valina

Ácido lipóico lipoamida Ciclo de krebs

niacina NAD, NADP Transferência de elétrons Ácido

pantotênico Coenzima A Carreador de grupo acil

riboflavina FAD Reações de oxidoredução

tiamina TPP (tiamina

pirofosfato) Descaborxilases e reações de transaminases B12 cobalamina Transferência de grupo metil

K quinonas Transporte de elétrons

B6 Piridoxal fosfato Transaminação, desaminação, descarboxilação Ácido sulfônico-

mercaptoetano Coenzima M Produção de CH4 em metanogênicas

Fatores de crescimento

Classificação das bactérias quanto a fonte de energia,carbono e elétrons

CARBONO:

Autotróficos: utilizam carbono inorgânico (CO2) Heterotróficos: utilizam carbono orgânico

ENERGIA:

Fototróficos: energia radiante (luz)

Quimiotróficos: obtém energia pela oxidação de moléculas

Orgânicas ou inorgânicas

ELÉTRONS: Litotróficos: composto inorgânico usado como

doador de elétrons para respiração e biossíntese

Organotróficos: composto orgânico como fonte de

elétrons

Tipo nutricional Fonte de

energia Fonte de

carbono Exemplos

Fotoautotrófico Luz CO 2 Bactérias fotossintetizantes:

cianobactérias, púrpuras e verdes

Foto-heterotrófico Luz Compostos

orgânicos Bactérias fotossintetizantes: , púrpuras e verdes

Quimioautotrófico Compostos inorgânicos

(H 2, NH 3, NO 2,

H 2 S)

CO 2 Maioria das arqueas e algumas bactérias

Quimio-heterotrófico Compostos

orgânicos Compostos

orgânicos Maioria das bactérias e algumas arqueas

Tipos nutricionais

Classificação , mais recente e simples..

•Quimiorganotroficos

•Quimiolitotrotificos

•Fototroficos

Requerimentos físicos e ambientais para o crescimento

Oxigênio Temperatura

pH

Necessidade de Oxigênio para o crescimento

Aeróbicos obrigatórios

Anaeróbicos obrigatórios

Facultativos

Anaeróbicos aerotolerantes

Grupo Aerobiose Anaerobiose Efeito do Oxigênio

Aeróbico obrigatório Cresce Não cresce Requerido (aceptor final de elétrons Microaerófilo Cresce pouco Não cresce Requerido em níveis abaixo de 0,2

atm Anaeróbico

obrigatório Não cresce Cresce Tóxico

Facultativo Cresce Cresce Não é requerido, mas quando disponível é utilizado

Anaeróbico

aerotolerante Cresce Cresce Não é requerido, nem utilizado

Superóxido desmutase, catalase, peroxidase

superóxido (O ₂ ^- ) H ₂ O ₂ H ₂ O ₂

Enzimas usadas na utilização do oxigênio

Ação das enzimas

Catalase= quebra peróxido de hidrogênio, H ₂ O ₂ em água e oxigênio Peroxidase= converte H ₂ O ₂ + água a NAD e O ₂

Superóxido dismutase= converte superóxido, O _2, em H ₂ O ₂

pH: concentração de íons H ⁺

Grupo Faixa de pH Exemplo

Acidófilos < de 7,0 Thiobacillus thioxidans

2,0-3,0

Neutrófilos = de 7,0 Staphylococcus aureus

7,0- 7,5

Alcalifílicos > de 7,0 Nitrobacter spp.

7,6 – 8,6

Distribuição de alguns microrgansmos, de acordo com o pH

(Adaptado de Madigan et al., Brock Biology of Microorganisms, 2003)

pH Mínimo, Ótimo e Máximo para o crescimento de alguns procariotos

Organismo pH mínimo pH ótimo pH máximo

Thiobacillus thiooxidans 0.5 2.0-2.8 4.0-6.0 Sulfolobus acidocaldarius 1.0 2.0-3.0 5.0

Bacillus acidocaldarius 2.0 4.0 6.0

Zymomonas lindneri 3.5 5.5-6.0 7.5

Lactobacillus acidophilus 4.0-4.6 5.8-6.6 6.8

Staphylococcus aureus 4.2 7.0-7.5 9.3

Escherichia coli 4.4 6.0-7.0 9.0

Clostridium sporogenes 5.0-5.8 6.0-7.6 8.5-9.0

Erwinia caratovora 5.6 7.1 9.3

Pseudomonas aeruginosa 5.6 6.6-7.0 8.0

Thiobacillus novellus 5.7 7.0 9.0

Streptococcus pneumoniae 6.5 7.8 8.3

Nitrobacter sp 6.6 7.6-8.6 10.0

Variantes quanto a Temperatura

Categoria Temperatura ( C) ⁰

Exemplos Mínima Média Máxima

Psicrófitos 0 10-15 < de 20 Flavobacterium spp.

Mesófilos 10-15 30-40 < de 45 Escherichia spp.

Termófilos e

hipertermófilos 45-50 50-85 110 Thermus spp.

Thermococcus spp.

Temperatura:

Todos os microrganismos apresentam uma faixa de temperatura onde desenvolvem-se plenamente. Nesta faixa de temperatura podemos determinar as

temperaturas mínima, ótima e máxima (temperaturas

cardeais), para cada microrganismo.

Mecanismos de termoestabilidade nas proteínas

 composição de aminoácidos:

 substituições de glicina por alanina e lisina por arginina;

 > número de aminoácidos carregados;

 mutações glicina  prolina;

 > número de aa aromáticos e hidrofóbicos.

 pontes dissulfeto:

 Estabilizam no máximo até 100⁰C;

 Interações hidrofóbicas, adição de grupos metil durante o enovelamento das proteínas;

 Interações aromáticas

 Pontes de hidrogênio e pares iônicos.

 Ligações a metais e modificações pós-traducionais:

 Íons metálicos;

 glicosilação

 aumento no teor de bases G-C no DNA.

Nem sempre ...

Graças a sua topoisomerase única :

seu DNA tem supercoil positivo (normalmente vemos supercoil negativos)

isso com que se gaste muito mais energia para soltar as fita de DNA.

 arqueas apresentam fitanol na membrana plasmática.

 arqueas apresentam cadeias de hidrocarnbonetos conectadas ao glicerol por ligações tipo éter=

Aumenta estabilidade química e resistência a hidrólise

 arqueas apresentam alto teor de ácidos graxos saturados.

 Interações com cofatores: Cálcio, Magnésio, e

poliaminas que ajudam a estabilizar o complexo

ribossomo-tRNA e ribossomo-mRNA.

psicrofilos

psicrofilos

psicrofilos x psicrotolerantes

Adaptações moleculares a psicrofilias

enzimas adaptadas ao frio não plenamente elucidadas geralmente

enzimas não inativadas por frio tem mais alfa-hélice do que folhas beta( alfa-hélice são mais flexíveis que folhas beta ...)

maior numero de aminoácidos polares ..]

menor quantidade de aminoácidos hidrofóbicos (maior flexibilidade em baixa

temperatura... )

psicrofilos x psicrotolerantes

nos organismos

transporte ativo ocorre normalmente a baixas temperaturas

membrana apresenta elevada quantidade de ac graxos insaturados ...

facilita o estudo semifluido da membrana em temperaturas baixas..)

(se fosse ácidos graxos saturados a membrana teria a consistência de cera..)

algumas psicrófilas tem acidos graxos poli-insaturados ... contendo múltiplas ligações duplas Psychroflexus (bactéria encontrada na Antártida)

possui ácidos graxos com 4 e 5 ligações duplas ...

Thiomicrospira arctica Betaproteobacteria Deltaproteobacteria Gammaproteobacteria Flavobacterium

Cytophaga Flavobacterium Psychrobacter

Psychrobacter cryohalolentis Psychroflexus tropicus Marinobacter

Marinobacter lipolyticus Alphaproteobacteria Caulobacter

Proteobacteria Bacteroides

Geopsychrobacter electrodiphilus Desulfocapsa sulfoexigens Shewanella fridigimarina Geobacter

Geobacter sulfurreducens

Crescimento:

Crescimento:

Pode ser definido em:

-aumento do tamanho dos microrganismos

- aumento do número de células microbianas em uma população

Crescimento exponencial::

padrão de crescimento microbiano segundo o qual o número de células duplica em determinado intervalo de tempo

Algumas definicões:

Taxa de crescimento:

alteração do número de células ou massa celular por unidade de tempo

Tempo de geração ou tempo de duplicação:

tempo requerido para uma população

bacteriana dobrar ou duplicar

A maioria das bactérias se proliferam por divisão binária produzindo duas células filhas

Ácidos nucléicos

 Proteínas

Lipídeos

 polissacarídeos

1 Tempo de Geração 2

Aumento no número de células que ocorre no crescimento exponencial

é uma progressão geométrica do número 2

1 _20min 2 _20min 4 8

20min

N= N ₀ .2 ⁿ

Onde n= número de gerações

N=1.2

N=8

2 ¹ 2 ²

Quando 2 células se duplicam e formam 4:

2 ² 2 ³

Quando 4 células se duplicam e formam 8:

E assim por diante…..

2 ³ 2 ⁴ 2 ⁵ 2 ⁶ 2 ⁿ Progressão geométrica

Logo existe uma relação direta entre o número de células presentes

Inicialmente na cultura e após o período de crescimento logarítmico

Fórmula para expressar o crescimento exponencial:

N=N

x 2

N= número final de células N

número inicial

n

= número de gerações que ocorreram durante o período de

crescimento exponencial

- Sabendo-se de o tempo de geração de E. coli é de 20 minutos, partindo-se de uma única célula quantas células bacterianas serão obtidas após 1 hora de cultivo?

R: Em 1 hora de cultivo (60 minutos) teremos 3 gerações (n=3) Então: N= No.2

N= 1.2

N= 8

1 hora

2 horas R: Em 2 horas de cultivo (120 minutos) teremos 6 gerações (n=6)

Então: N= No.2

N= 1.2

N= 64

- E após 2 horas de cultivo?

Em 48 h …

?

Em 48 h …

2.2301e+43 cel

4000 x o peso da terra

Em 4 dias …

4.9732e+86 células

Numero de átomos do universo visível 4e+78

Curva de crescimento (cultura descontínua)

Quando uma cultura microbiana desenvolve-se em um sistema fechado, pode-se confeccionar uma curva de crescimento.

Esta pode ser dividida em diferentes etapas: lag, log, estacionária e de declínio.

Sistema fechado: nenhum novo nutriente é adicionado e nenhum produto de excreção

Metabólico é removido

Curva de Crescimento

A

B D

C

Fases da Curva de Crescimento de bactérias:

^{- Fase Lag} - Fase Estacionária - Fase Exponencial ou Logaritmica (Log) - Fase de Declínio

A C

B D

Fase lag

-Fase de adaptação

-Transporte de nutrientes para dentro da célula -Síntese de proteínas necessárias para divisão -Síntese de DNA

-Aumento de tamanho de microrganismos, mas não ocorre divisão

Fase logarítmica, exponencial ou Log

-Fase de divisão intensa, ativa

-Influenciada por condições ambientais

-Microrganismos podem ser mantidos na fase log continuamente

(caso sejam transferidos para um novo meio antes de antingir

a proxima fase)

Fase estacionária

-Células param de crescer (escassez de nutrientes)

-Acúmulo de substâncias tóxicas secretadas pela bactéria ou liberadas por lise da bactéria

-Em alguns microrganismos se observa crescimento lento

Fase de declínio ou morte

-Esgotamento total do meio

-Meio pobre em nutrientes e rico em substâncias tóxicas -Bactéria começam a morrer

-Número de células viáveis diminui de forma exponencial

-Tipicamente todas as células vivas morrem em dias a meses

O que para o crescimento ? vários fatores :

exaustão de nutrientes, acumulo de restos metabolicos eliminados,

alteração de pH

Crescimento em culturas contínuas:

Técnica muito usada nos processos industriais de obtenção de produtos microbiológicos.

Nestes casos, tem-se o interesse em manter as células em fase log ou estacionária.

Utilizam-se fermentadores ou quimiostatos, que permitem um crescimento em equilíbrio dinâmico, havendo assim um controle da densidade populacional e da taxa de

crescimento. Estes são respectivamente controlados pela concentração do nutriente limitante (fonte de C ou N) e pela taxa de fluxo (taxa de diluição). Em baixas

concentrações do nutriente limitante, a taxa de crescimento é proporcional à

concentração do nutriente (que é virtualmente zero).

Como o crescimento da cultura bacteriana pode ser acompanhado?

1. Contando-se o número de células ao longo do cultivo

2. Acompanhando-se o aumento da turvação ao longo do cultivo

3. Outras possibilidades....

Bibliografia da aula