BC-1606
Microbiologia
Santo André - Outubro de 2010
Prof . Antônio Sérgio Kimus Braz
Prof . Antônio Sérgio Kimus Braz
Aula 6 Nutrição E
Todos organismos (incluindo procariotos) necessitam de nutrientes:
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.
30% compostos químicos 70% H2O 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 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.
Vias CATABOLICAS X ANABOLICAS Catabolismo Quebra de moléculas maiores Em moléculas mais simples Libera energia Libera energia Anabolismo Formação de moléculas maiores A partir de moléculas mais simples Gasta energia Gasta energia
Categorias de nutrientes:
classificados de acordo com a sua importância e concentração na célulabacteriana (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 Cloro
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
Elementos importantes :
Macro
Macro e micronutrientes e micronutrientes / micronutrientes especificosmicronutrientes especificos
Algusn orgnaimos podem precisar de : Selenio, Niquel, Molibidenio, Selenio, Niquel, Molibidenio,
Tungstenio, Vanadio, Cromo, Boro, Iodo e Silicio
Carbono
Fontes de carbono na natureza: -compostos inorgânicos= CO2
(necessario para autotroficos)
-compostos orgânicos= compostos que contém C, H, O, N, e também P, S … (unica fonte para heterotroficos)
Base estrutural de todas moléculas organicas Sem ele não existe matéria organica
Propriedade únicas do Carbono
A fonte de carbono para organismo reflete
o nivel trofico deste (produtor x consumidor)
(autotrofico x heterotrofico)
Se usa CO2 ou uma fonte inorganica de carbono é autotrofico (precisam de enzimas como a Rubisco Para fixar o CO2)
Se não é heterotrofico
* 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
Oxigênio
Assim como C é componente de moléculas orgânicas e da água
Extremamente reativo
aceptor final de elétrons das células na respiração (aeróbicos...)
Nitrogênio
Componente das bases nucleotidicas , dos aminoácidos, e outros tipos de moléculas orgânicas..
Nitrogênio
Fixação do Nitrogênio significa a conversão de N2 em NH3
(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 N2
ETAPAS DO CICLO DO NITROGÊNIO:
Fixação Biológica do Nitrogênio
1.Bactérias de vida-livre:
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
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
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 NO3- 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 (PO4)
-Componente dos ácidos nucleicos, nucleotídeos, fosfolipídeos, ATP ,
Enxofre
Obtido a partir de sulfato (SO4), sulfeto de hidrogênio
(H2S), sulfeto (S-2 ) e compostos sulfurados
orgânicos (cisteína, cistina, e metionina).
(núcleos de Fe-S importante na cadeia de transporte de eletrons)
Potássio
Obtido a partir de sais de potássio; Cofator para várias enzimas
Magnésio
Obtido na forma de sais de magnésio;
Importante para estabilizar os ribossomos; Se ligam aos ácidos teicóicos.
importante para ATPases (coordena o ATP) Cálcio
Obtido na forma de sais de cálcio;
Importante para estabilizar a parede celular; acumula durante a formação de endosporos. Sinalizador celular
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;
(núcleos de Fe-S importante na cadeia de transporte de eletrons)
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
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 B12 (cobalamina), transferência de gurpos CH3
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
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
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
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
Tipo nutricional Fonte de
energia Fonte de carbono Exemplos
Fotoautotrófico Luz CO2 Bactérias fotossintetizantes:
cianobactérias, púrpuras e verdes
Foto-heterotrófico Luz Compostos
orgânicos Bactérias fotossintetizantes: , púrpuras e verdes Quimioautotrófico Compostos
inorgânicos
(H2, NH3, NO2,
H2S)
CO2 Maioria das arqueas e algumas bactérias
Quimio-heterotrófico Compostos
orgânicos Compostos orgânicos Maioria das bactérias e algumas arqueas
Classificação , mais recente e simples..
•Quimiorganotróficos (energia de compostos organicos) •Quimiolitotróficos (energia de compostos inorganicos) •Fototróficos (energia luminosa)
*** Radiotróficos : obtem energia r radiação ionizante
Requerimentos físicos e ambientais
para o crescimento
Oxigênio
Temperatura
Necessidade de Oxigênio para o crescimento
Aeróbicos obrigatórios
Anaeróbicos obrigatórios Facultativos
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
Superóxido desmutase, catalase, peroxidase
superóxido (O2- ) H2O2 H2O2
Ação das enzimas
Catalase= quebra peróxido de hidrogênio, H2O2 em água e oxigênio
Peroxidase= converte H2O2 + água a NAD e O2
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.
Distribuição de alguns microrgansmos, de acordo com o pH
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 MínimaTemperatura ( C)Média ⁰Máxima Exemplos
Psicrófitos 0 10-15 < de 20 Flavobacterium spp. Mesófilos 10-15 30-40 < de 45 Escherichia spp. Termófilos e
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.
Mecanismos de termoestabilidade nas proteínas
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 x psicrotolerantes
adapoção moleculares a psicrofilias
enzimas adaptadas ao frio não plenamente elucidadas Geralmente
enzimas nao inativadas por frio tem mais alfa-helice do que folhas beta ( alfa-helice são mais flexiveis que folhas beta …)
maior numero de aminoacidos polares ..
menor quantidade de aminoacidos hidrofobicos (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 ac graxos saturados a membrana teria a consistencia de cera..)
algumas psiccrófilas tem acidos graxos poliinsaturados ... contendo multipals ligações duplas
bacteria da Antartida
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 2
20min 20min 4 20min 8
N= N
0.2
nOnde n= número de gerações
N=1.23
21 22
Quando 2 células se duplicam e formam 4:
22 23
Quando 4 células se duplicam e formam 8:
E assim por diante…..
23 24 25 26 2n 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=N0 x 2n
N= número final de células N0= número inicial
n=número de gerações que ocorreram durante o período de
- 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.2n
N= 1.23
N= 8
1 hora
2 horas R: Em 2 horas de cultivo (120 minutos) teremos 6 gerações (n=6)
Então: N= No.2n N= 1.26
N= 64
Em 48 h … ?
Em 48 h …
2.2301e+43 cel 4000 x o peso da terra
Em 4 dias …
4.9732e+86 células
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
D B
C
Fases da Curva de Crescimento de bactérias:
- Fase Lag - Fase Estacionária - Fase Exponencial ou Logaritmica (Log) - Fase de Declínio
A C
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
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
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....