NUTRIÇÃO, METABOLISMO, CRESCIMENTO E REPRODUÇÃO BACTERIANOS

Profa Eloisa

Introdução

Os microrganismos exibem os mais diversos mecanismos nutricionais.

Procariotos (Bacteria e Archaea) Nutrição ocorre predominantemente pela

absorção A maioria destes organismos possui uma

espessa parede celular, impossibilitando a realização de fagocitose.

Composição química de uma célula procariótica

Compostos % massa úmida Tipos diferentes

Água 70 1

Proteínas 15 2.000

Lipídios 2 4

Lipopolissacarídeos 1 1

Peptideoglicano 0,7 1

Glicogênio 1 1

DNA 1 1

RNA 5 500

Metabólitos 3 350

Íons inorgânicos 0,3 20

Classificação quanto às fontes de energia e carbono

Fontes de energia: Organismos fototróficos (que utilizam a energia

luminosa) Organismos quimiotróficos (que utilizam a energia

proveniente de reações químicas). Fontes de carbono:

Organismos autotróficos (fontes inorgânicas – CO2 ou íon bicarbonato)

Organismos heterotróficos (fontes orgânicas – carboidratos (D-glicose), aminoácidos, ácidos monocarboxílicos, lipídios, álcoois, amido, celulose).

Fonte de Carbono

Autotróficos - CO 2 é a fonte de C Quimioautotrófico ou Quimiolitotrófico (energia de

compostos inorgânicos) Fotoautotrófico ou Fotolitotrófico (energia da luz e

fonte de C inorgânica)

Heterotróficos - compostos orgânicos como fonte

de C Quimioheterotrófico ou Quimiorganotrófico (energia

de compostos orgânicos) Fotoheterotrófico ou Fotorganotrófico (energia da luz

e fonte de C orgânica)

Fonte de Nitrogênio

Nitrogênio atmosférico Convertido em nitrogênio orgânico. Ex:

Azotobacter e Rhizobium (fixação do nitrogênio)

Compostos inorgânicos de nitrogênio Sais de amônio e nitratos (raramente

nitritos) Fontes orgânicas de nitrogênio

Aminoácidos ou hidrolisados de proteínas

Íons inorgânicos essenciais

Em quantidades apreciáveis Macronutrientes: fósforo (fosfatos), enxofre,

potássio, magnésio, ferro Traços

Micronutrientes: cobre, cobalto, zinco, manganês, molibidênio, sódio

Fatores de Crescimento

Compostos orgânicos indispensáveis a um determinado microrganismo, mas que ele não consegue sintetizar. Devem estar presentes

no meio para que o microrganismo possa crescer Vitaminas (complexo B),

aminoácidos, nucleotídeos e ácidos graxos

Nutrição em Gram positivos

Estas bactérias caracterizam-se por sintetizar uma série de exoenzimas, as quais são liberadas no meio, clivando os nutrientes, que são captados por proteínas transportadoras. Os fungos (células eucarióticas), possuem

um sistema de nutrição semelhante ao das bactérias Gram positivas, nutrindo-se pela absorção, após a clivagem extracelular de compostos complexos

Nutrição em Gram negativos Devido à presença de uma membrana

externa de caráter hidrofóbico (LPS), as bactérias Gram negativas apresentam um grande número de porinas associadas à camada lipopolissacarídica. • Porinas: correspondem às proteínas, formadas por três subunidades idênticas, que originam um canal de cerca de 1 nm de diâmetro, cujo mecanismo de abertura e fechamento permanece ainda desconhecido.

• As porinas permitem a passagem de moléculas hidrofílicas, de baixa massa molecular.

Água

Não constitui um nutriente, mas é indispensável para o crescimento. Solvente universal Auxilia a passagem de sibstâncias pela

membrana citoplasmática Regulação da pressão osmótica Regulação térmica

Enzimas

A membrana citoplasmática não permite a passagem de substâncias de elevado peso molecular. Bactéria utiliza amido, proteínas e gorduras.

Como? Enzimas extracelulares ou exoenzimas realizam a

quebra destes compostos para posterior absorção.

Crescimento bacteriano

Em microbiologia, o termo crescimento refere-se a um aumento do número de células e não ao aumento das dimensões celulares.

Crescimento Populacional: é definido como o aumento do número, ou da massa microbiana.

Reprodução Bacteriana

As bactérias dividem-se em duas, por fissão binária, e aumentam o seu número de forma geométrica População duplica a cada tempo

de geração. Separação incompleta das

células Tétrade Diplococo Estreptococo Estafilococo Sarcina

Fissão Binária

Crescimento bacteriano

A taxa de crescimento é a variação no número ou massa por unidade de tempo.

O tempo de geração é o intervalo de tempo necessário para que uma célula se duplique. O tempo de geração é variável para os

diferentes organismos, podendo ser de 10 a 20 minutos até dias, sendo que em muitos dos organismos conhecidos, este varia de 1 a 3 horas.

Crescimento bacteriano

O tempo de geração pode ser calculado quando uma cultura encontra-se em fase exponencial, pela fórmula abaixo: N= No x 2 n onde:

N= número final de células No= número inicial de células n= número de gerações

Aplicando logaritmo (log): log N= log No + n log 2 n = log N - logNo / log 2 n = log N - log No / 0,301 n = 3,3 (log N-log No)

Crescimento Bacteriano

A partir da equação n = 3,3 (log N-log No) é possível calcular o número de gerações (n) que ocorreram em uma cultura se o n° inicial de células for conhecido.

Tendo-se o valor de n pode-se calcular o tempo de geração (g) g = t/n

Exemplo: Calcular o tempo de geração de uma cultura cuja

população celular passa de 10 3 para 10 8 após 5 horas de cultivo

Tempo de Geração

Fases do crescimento bacteriano 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.

Fases do crescimento bacteriano• Fase lag :

• Fase de adaptação – estado de latência

• Intensa atividade metabólica (síntese de DNA e enzimas)

• Fase log (crescimento exponencial) :• Reprodução celular ativa com

tempo de geração constante• Maior atividade metabólica da

célula• Fase estacionária :

• Número de morte igual ao número de novas células –- EQUILÍBRIO

• Atividade metabólica diminui• Fase de declínio ou morte

celular:• Número de células mortas

excede o de células novas

Crescimento bacteriano

A partir do conhecimento dos requerimentos nutricionais, podem ser confeccionados meios que permitam o crescimento microbiano in vitro.

Cultura pura: corresponde a uma cultura contendo um único tipo de organismo. Permite o estudo dos microrganismos

isoladamente

Crescimento bacteriano

Meios de cultura Meios aquosos, adicionados de nutrientes e, eventualmente, ágar

(polissacarídeo = éster sulfato de galactana, retirado de algas - Gelidium), caso se deseje a consistência sólida.

Classes de meios: Quimicamente definidos (sintéticos) – composição química exata

Quimioheterotróficos - fatores orgânicos de crescimento (fonte de C e energia) Quimicamente indefinidos (complexos) – composição química não é

exatamente conhecida Componente protéico - principal fornecedor de carbono, nitrogênio, enxofre e

energia (peptonas e triptonas) Extrato de carne e extrato de levedura - vitaminas e outros fatores

orgânicos de crescimento Tipos de meios em relação à consistência:

Líquidos, Semi-sólidos e Sólidos Tipos de meios, quanto à composição:

Simples, Enriquecidos, Seletivos, Diferenciais.

Meios de Cultura

Líquido

Semi-Sólido

Sólido

Oxigênio atmosférico

Não é nutriente, funciona como aceptor final de hidrogênio nos processos de respiração aeróbica.

Classificação das bactérias quanto ao crescimento e utilização de oxigênio: Aeróbias – exigem a presença de oxigênio livre Microaerófilas – exigem oxigênio em pequena quantidade,

não tolerando as pressões normais de O2 atmosférico Anaeróbias estritas – não toleram a presença de oxigênio

livre, morrendo rapidamente nessas condições Anaeróbias não-estritas – não utilizam oxigênio

atmosférico, mas este não é tóxico Facultativas – podem crescer na presença ou ausência de

oxigênio livre

Cultivo de anaeróbios

Utilização de meios redutores (tioglicolato de sódio)

Utilização de ambientes fechados, sem oxigênio

Garrafas de anaerobiose

Cultivo de aeróbios

Crescimento em tubos, placas (estático)

Crescimento em Erlenmeyers e garrafas (dinâmico)

Outros fatores envolvidos na nutrição

Temperatura Cada bactéria tem um ótimo de temperatura

para absorção de nutrientes que está intimamente relacionado ao crescimento e ao desenvolvimento da culturas

Classificação: Psicrófilas – crescem e absorvem melhor

entre as temperaturas de 0 e 18ºC Mesófilas – entre 25 e 40ºC Termófilas – entre 50 e 80º C

Concentração Hidrogeniônica (pH) Valores de pH em torno de 7,0 são

os mais adequados. Acidofílicos (1,0 a 5,5)

Thiobacillus (cresce em pH 1,5) Lactobacillus

Neutrofílicos (5,5 – 8,0) A maioria das bactérias Podem tolerar pH na faixa de 5,4 a

8,5 Alcalofílicos (8,5 – 11,5)

Vibrio cholearae (pH 9,0) Agrobacterium (pH 12,0)

Fungos - tendem a ser mais acidófilos que as bactérias (pH <5).

Metabolismo bacteriano

Suprimento de energia Estruturas celulares ou

moléculas acessórias à sua síntese e funcionamento

Multiplicação bacteriana

Metabolismo bacteriano

Oxidação – Açúcares, proteínas, peptídios, gorduras Visa a formação de ATP para transporte de

nutrientes, movimentação dos flagelos, biossíntese em geral

Metabolismo bacteriano

Vias metabólicas Respiração aeróbia:

• Oxidação de carboidratos – oxidação da glicose gerando CO2 e água + ATP

• Glicólise (conversão da glicose a piruvato)

• Conversão de piruvato a acetil-CoA

• Oxidação de acetil-CoA pelo ciclo de Krebs

• Oxidação de proteínas, peptídios e aminoácidos – remoção do grupo amino, esqueleto de carbono é oxidado – produto entra no ciclo de Krebs e na glicólise

• Oxidação de lipídios – degradação por lipases gerando ácidos graxos – oxidados à acetil-CoA

Metabolismo bacteriano

Oxidação anaeróbia:• Fermentação – rendimento energético menor

• Fermentação de carboidratos:

• via glicolítica com produção de piruvato, NADH e ATP

• Produtos – lactato, etanol, formiato – usados para identificação bacteriana

• Fermentação de aminoácidos:

• Produz NADH, NH4+, ácidos orgânicos e ATP

• Respiração anaeróbia:

• Aceptor final de elétrons – exógeno e inorgânico

• Não há ciclo de Krebs

• Rendimento energético maior do que da fermentação, menor do que respiração aeróbia

Metabolismo de Carboidratos Glicólise

Oxidação da glicose a ácido pirúvico com produção de ATP e energia contida em NADH.

Ciclo de Krebs Oxidação de um derivado do ácido pirúvico (acetil

coenzima A) a dióxido de carbono, com produção de ATP, energia contida em NADH e FADH 2 .

Cadeia de transporte de elétrons NADH e FADH 2 são oxidados. Cascata de reações de oxirredução envolvendo uma

série de transportadores de elétrons. A energia dessas reações é utilizada para gerar

grande quantidade de ATP.

Ciclo de Krebs

Cadeia de Transporte de Elétrons

Respiração anaeróbia

O aceptor final de elétrons é uma substância inorgânica diferente do oxigênio (O2 )

Aceptor de elétrons pode ser: NO3- , SO4

- , CO32-

Tem rendimento energético menor do que a respiração aeróbia.

Fermentação

Libera energia de açúcares ou moléculas orgânicas, tais como aminoácidos, ácidos orgânicos, purinas e pirimidinas;

Não requer oxigênio, mas algumas vezes pode ocorrer na presença deste;

Não requer o uso do ciclo de Krebs ou de uma cadeia de transporte de elétrons;

Utiliza uma molécula orgânica como aceptor final de elétrons;

Produz somente pequenas quantidades de ATP (grande parte da energia original dos compostos catabolizados permanece ainda nas ligações químicas dos compostos orgânicos formados).

Vias metabólicas fermentativas

Catabolismo das Proteínas