estruturas celulares · apendiculadas (extensões celulares em forma de tubos) ... desenvolvimento...
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Prof. (a): Juliana de Oliveira Moraes
Estruturas Celulares
SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL
Instituto Federal de Alagoas - Campus Piranhas
ENGENHARIA AGRONÔMICA
Piranhas - AL
2017
Células bacterianas 1.
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MORFOLOGIA CELULAR
Forma celular
Vocabulário essencial para microbiologia
Principais morfologias celulares:
Cocos (esferas)
Bastonetes ou bacilos (cilindros)
Espirilo (espiralado)
Streptococcus (cadeia de cocos)
Staphylococcus (aglomerado de cocos semelhante ao cacho de uvas)
Apendiculadas (extensões celulares em forma de tubos)
Quadradas
Estrelas
Existem variações das principais morfologias: bacilos longos, bacilos curtos, bacilos
finos.
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MORFOLOGIA E BIOLOGIA
É impossível prever fisiologia, ecologia, filogenia, potencial patogênico,
ou particularmente qualquer outra propriedade de uma célula procariótica
simplesmente conhecendo sua morfologia.
O que determina a morfologia de uma espécie em particular?
Varias forças seletivas auxiliaram a definição da morfologia de uma
determinada espécie.
Otimização da captação de nutrientes
Motilidade por deslizamento.
A morfologia não é uma característica qualquer de uma célula, mas sim
uma propriedade geneticamente codificada, que maximiza a adequação
do organismo para o sucesso em hábitat especifico.
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TAMANHO CELULAR
A taxa metabólica de uma célula varia inversamente em relação do quadrado do seu
tamanho.
Em células muito grandes a captação de nutrientes eventualmente limita o
metabolismo a um ponto em que a célula não é mais competitiva em relação a
células pequenas.
Vantagens de ser pequeno:
Relação Superfície (S) e volume (V) (S/V)
Quanto maior o tamanho da célula menor a S/V
S/V afeta a célula em vários aspectos:
Biologia/evolução
Captação de nutrientes
Taxa de crescimento
Necessidade energética (células necessitam de menor concentração de nutrientes
para manter ou duplicar sua população).
Taxa de crescimento
Taxa de duplicação de
DNA
Taxa de mutações
MUTAÇÕES:
Erros que ocorrem no momento da replicação de DNA
Matéria-prima da evolução
Quanto maior p numero de mutações maiores as possibilidades evolutivas.
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Eucariontes
• S/V menor
• Maior possibilidade de Correção de erros na duplicação do DNA (mutações)
Procariontes
• S/V maior
• Menor possibilidade de correção de erros na duplicação do DNA (mutações)
Diferenças fundamentais no tamanho e genética entre células eucariotas e
procariotas, são os principais motivos de o porquê os procariotos se adaptam mais
rapidamente às mudanças nas condições ambientais, sendo capazes de explorar
mais facilmente novos hábitats, que as células eucariotas.
Membrana citoplasmática e transporte 2.
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Membrana Citoplasmática
ESTRUTURA DA MEMBRANA
Estrutura que:
Circunda o citoplasma e o separa do ambiente externo.
Oferece integridade a célula e impede a morte celular
Permite permeabilidade seletiva (servem de porteiras)
COMPOSIÇÃO DA MEMBRANA
Dupla camada de fosfolipídios com proteínas embebidas.
Ácido graxos (hidrofóbica)
Glicerol-fosfato (hidrofílica)
Unidade de membrana: cada camada ou
folha de fosfolipídio.
Construção fundamental: a) superfície
hidrofílico externas e b) interior hidrofóbico.
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PROTEINAS DA MEMBRANA
Estão envolvidas no metabolismo energético e transporte das células.
Representadas por:
Proteínas periféricas ou periplasmáticas:
Estão voltadas para uma das faces da membrana
Proteínas integrais:
Incorporadas na membrana e entram em contato tanto com face
externa quanto a face interna da membrana
Proteínas transportadoras
FUNÇÃO
Transporte de solutos através da membrana
Reações de transporte será contra o gradiente de concentração (deslocar nutrientes de um local menos concentrado para outro ambiente de maior concentração deste nutriente).
O sistema de transporte exibem várias propriedades características:
Efeito saturado
Alta especificidade
Altamente regulada
Carreadores específicos (maior concentração)
Carreadores de ALTA afinidade (menor concentração)
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Membrana bactérias x arqueias
BACTÉRIAS
Possuem ácido graxo na composição
Bicamada de fosfolipídios
ARQUEIAS
Ausência de ácido graxo na composição (outros lipídeos)
Bicamada ou monocamada de fosfolipídios
FUNÇÃO DA MEMBRANA
Impedir o extravasamento passivo de substancias para dentro ou para
fora – Controle de fluidos.
Servir de sítio de ligação de proteínas/enzimas
Transporte de substancias
Conservação de energia – células eletricamente carregadas
H+ = superfície externa da membrana
OH- = superfícies internas da membrana
Separação de carga : estado energizado (força próton-motiva)
Força próton-motiva: responsável por:
Transporte
Motilidade
Síntese de ATP
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Permeabilidade
Citoplasma: solução de sais, açúcares, aminoácidos, nucleotídeos e
outras substâncias
Porção hidrofóbica: barreira contra difusão de substancias polares
Moléculas polares somente ultrapassam a membra com auxilio de
proteínas transportadoras.
Exceto moléculas muito pequenas e polares como água ultrapassam a
membrana com auxilio de aquaporinas (proteínas)
Transporte de substâncias
Entrada de nutrientes e saída de resíduos.
Transporte simples:
Envolve apenas uma proteína transportadora ou carreador transmembranar
Translocação em grupo:
Sistema ABC (3 componentes)
A - Proteínas de ligação ao substrato
B - Transportador integrado a membrana (canal)
C - Proteína que hidrolisa ATP ou composto rico em energia
Essas proteínas sofrem mudanças conformacionais – Abre/fecha
O transporte pode ser de três tipos:
Uniporte
Contraporte
Simporte
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Parede celular das bactérias 3.
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Parede celular
FUNÇÃO:
Impedir a lise celular
Dar forma a bactérias
POR QUE CONHECER A ESTRUTURA?
Nos permite entender a ação de agente antimicrobianos
COMPOSIÇÃO
Peptideoglicano: polissacarídeos compostos por dois derivados de açucares, além de aminoácidos como alanina, acido glutâmico, lisina ou ácido diaminopimélico (DAP)
Divisão das bactérias em dois grupos:
GRAM-positivas
GRAM-negativas
Peptiodeoglicano
Folha que circunda a célula;
Sintetizada adjacentes entre si;
Cadeias são ligadas por ligações cruzadas de aminoácidos e ligações
covalentes entre açucares;
Essas ligações oferecem rigidez a parede celular;
Quanto mais ligações cruzadas maior a rigidez da parede.
O peptideoglicano pode ser destruído ou impedir a síntese por
determinados agentes (lisozima/penicilina).
Gram-positivas Gram-negativas
Ligação cruzada ocorre porte ponte inter
peptídica, sendo o tipo e numero de
aminoácidos presentes nessas pontes varável
de espécie para espécie
Ligações peptídicas entre o grupo amino do
ácido diaminopimélico – DAP.
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Embora permeável a pequenas moléculas, membrana externa é
impermeável à proteínas e outros grandes moléculas.
Periplasma: espaço entre membrana externa e membrana citoplasmática
Porinas: canais presentes na membrana externa que permitem entrada e saída de solutos.
Coloração de Gram e Parede celular
Diferenças na composição da parede celular
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Outras estruturas celulares de
superfícies e inclusões 4.
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Produção de polissacarídeo
CAMADA LIMOSA:
Polissacarídeos frouxamente ligados a parede celular
CAPSULA:
Matriz compacta de polissacarídeo aderida firmemente a parede celular
e ao peptideoglicano.
Função:
Adesão a superfície abióticas e bióticas
Desenvolvimento e manutenção de biofilme
Prevenção de desidratação
Fator de virulência (capsula)
Fímbrias e Pili
Estruturas filamentosas que se projetam a partir das superfície da célula.
FÍMBRIAS:
adesão a superfícies
recobre toda superfície celular
PILI
Semelhantes as fímbrias porém são longos e cada célula possui um ou
dois.
Mediadores de transferência genética (conjugação)
Motilidade pulsantes – deslizamento longo de uma superfície sólida.
Pili tipo IV
Tipo diferente de motilidade
Células em forma de bastonetes
Presente nos polos da célula bacteriana
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Inclusões celulares
Somente bactérias apresentam (20 gêneros de bactérias gram-negativas)
Função:
Reserva de energia ou substancias essenciais na forma insolúvel dentro de uma membrana
de camada única.
Tipos:
INCLUSÕES MAGNETICAS
Magnetossomos: particulas intracelulares compostas de óxido de ferro magnetita (Fe3S4) e
enxofre greigite (Fe3S4)
Orientação em um campo magnético
POLÍMEROS DE ARMAZENAMENTO DE CARBONO
Síntese de nucleotídeos e fosfolipídios, e ainda, ATP.
POLIFOSFATOS, ENXOFRE E MINERAIS CARBONADOS
Grânulos de enxofre elementar S0
Fonte de energia para bactérias sulfurosas
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Vesículas de gás
Procariotos planctônicos flutuam em ambientes
aquáticos.
Cianobactérias
Endósporos
“ENDO” = no interior
São células altamente diferenciadas que exibem extrema resistência ao calor,
produtos químicos e radiação.
São facilmente dispersos pela a ação do vento ou água.
Estrutura de resistência
Estágio de latência do ciclo de vida de uma bactéria
Processo de esporulação
Ativação:
exposição a temperaturas subletais (elevadas por alguns minutos)
Germinação:
exposição a nutrientes específicos de aminoácidos, onde ocorre a perda da
refringência microscópica do endósporo
Extrusão:
envolve um intumescimento visível pela captação de água, proteínas e DNA. Por fim,
a célula vegetativa emerge a partir do rompimento do endósporo.
Célula vegetativa
Endósporo
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Endósporo
A estrutura difere das células vegetativas possuindo várias camada;
Camadas:
Camada mais externa:
Exósporo – envoltório proteico delgado
Após o exósporo encontra-se as capas do esporo
Córtex:
Peptideoglicano com ligações frouxas
Cerne
Membrana citoplasmática
Citoplasma possui ¼ do teor de água do citoplasma da célula vegetativa
(gel);
Nucleoide, ribossomos e outros constituintes da célula;
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Endósporo
Ainda no Cerne encontra-se: ácido dipocólico complexado com íons de cálcio, que protege o DNA
de desnaturação e reduz a disponibilidade de água na célula.
Pequenas Proteínas ácido-solúveis (PPASs) – produzidas durante a
esporulação; protegem o DNA da ação radiação UV e calor seco, e
ainda, serve de fonte de energia e carbono na fase de extrusão.
Locomoção microbiana 5.
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Flagelos e motilidade natatória
São apêndices finos e longos com uma das extremidades livre e a outra ligada a célula.
Flagelo atua por rotação, empurrando ou puxando a célula através de um meio LÍQUIDO.
A flagelação de uma célula pode ser:
FLAGELAÇÃO POLAR: flagelo ligado a uma ou duas das extremidades das células.
Flagelos lofotríquios: tufos de flagelos em uma das extremidades da célula
Flagelos anfitríquios: tufos de flagelos em ambos polos da célula
FLAGELAÇÃO PERITRÍQUIA : espalhados por toda superfície das células.
FLAGELOS POLARES FLAGELOS PERITRÍQUIOS
Movem-se rapidamente par um lado e para o outro. Movem-se lentamente em linha reta
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Flagelos e motilidade natatória
Filamento do flagelo: composto por varias cópias de proteínas
FLAGELINA (20.000 moléculas).
Crescem a partir da extremidade.
ORGANIZAÇÃO DA ESTRUTURA:
Base
Filamento
Gancho
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Motilidade por deslizamento
Movimento lento e suave;
Ocorre em células em forma de bacilos;
Movimentação em superfícies SÓLIDAS.
Ocorre por vários mecanismo:
Secreção de polissacarídeos limosos (extrusão limosa)
Motilidade pulsante – pili tipo IV
Movimento das proteínas da superfície celular
Quimiotaxia e outras taxias
Taxia = movimento direcionado
Quimiotaxia: resposta estímulos de agentes químicos/quimioreceptores
Fototaxia: resposta a estímulos da luz/fotoreceptores
Oscilação: : flagelo gira em sentido horário (sem movimento)
Aerotaxia: aproximação ou afastamento do oxigênio.
Osmotaxia: aproximação ou afastamento a ambientes de alta pressão
iônica;
Hidrotaxia: movem-se em direção a ága pu ao gradiente de direção
crescente de água.
Observado tanto em bactérias natatórias e bactérias deslizantes.
Mecanismos:
Corrida: flagelo gira em sentido anti-horário (em movimento)
A corrida se da em direção ao agente atrativo de acordo com o gradiente de
concentração.
Oscilação: : flagelo gira em sentido horário (sem movimento)
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Esses mecanismos se dão pela atuação de quimiorreceptores, que se ligam
a substância químicas dispersas no ambiente.
Enquanto se movimenta a célula monitora o estado químico do ambiente
envolto da mesma.
Pelo fato de serem capazes de aproximar-se ou distanciar-se de vários
estímulo, as células procarióticas aumentam as possibilidades de
competir de forma bem sucedida por recursos, e evitam efeitos nocivos
de substancias que poderiam danificá-las ou matá-las.
Célula microbiana eucariótica 6.
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Células microbianas eucariontes
Fungos, algas e protozoários.
Diferem das células procarióticas pelo maior numero de organelas e núcleo
individualizado por ser envolvido por membrana.
Núcleo:
Nucleólo – Rico em RNA e proteínas ribossomais – sito de síntese de
RNAribossômicio
Membrana interna
Nucleoplasma
Membrana externa
Poros
Mitocôndria
Mitocôndria:
Membrana externa
Membrana interna:
Cristais mitocondriais
Matriz mitocondrial
Hipótese da endossimbiótica
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Hidrossomo
Células que não são dotadas de mitocôndrias – bactérias anóxicas ou
anaeróbicas.
Estrutura semelhante a mitocôndria, porém não possui enzimas que
participam do ciclo do acido cítrico (ciclo de Krebs)
Realizam fermentação:
Piruvato => H2
CO2 => acetato
Cloroplastos
Organelas que possuem clorofila (fotorreceptor);
Eucariontes autótrofos/ fotossíntese;
Estroma = semelhante a matriz da mitocôndria;
Contem a enzima Ribulose bifosfato carboxila (RubisCO) que participa
no ciclo de Calvin.
CO2 => compostos orgânicos
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Organelas
Organelas Função
Reticulo endoplasmático (RE) • RE-rugoso: sínteses de glicoproteínas
• RE-liso: síntese de lipídeos e carboidratos
Complexo de Golgi Excreção e transporte de substâncias
Lisossomo Digestão (bolsa de enzimas)
Citoesqueleto
Microtúbulos:
25nm de diâmetro
Função:
Manutenção da forma da célula
Motilidade de flagelos e cílios
Movimentação dos cromossomos na divisão celular
Movimentação de organelas
Microfilamentos:
7nm
Função: manutenção da forma
Motilidade por pseudopodes e durante a divisão celular.
Filamentos intermediários:
8 a 12 nm
Manutenção da forma
Posicionamento das organelas
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Flagelos e cílios
Flagelos
Apêndices filamentosos longos
Flagelos do eucariontes: chicote
Flagelos do procariontes: rotação
Cílios
Apêndices filamentosos curto
Movimentação: semelhante a um chicote
Microscopia 7.
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Microscopia
É a ferramenta mais básica e antiga utilizada pelos microbiologistas no
estudo de estruturas microbianas.
• Podemos dividir esses equipamentos em
dois grupos:
• Microscópios ópticos:
• Faz uso de feixe de luz visível
elétrons para obtenção da
visualização de estruturas celulares.
• Microscópios eletrônicos:
• Faz uso de feixe de elétrons para
obtenção da visualização de
estruturas celulares.
Mic
rosc
óp
ios
óptico
s Campo claro
Campo escuro
Fluorescência
Contraste de fase
Contraste de interferência diferencial
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Componentes
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Índice de refração
É a medida de capacidade de curvatura da luz em
um meio.
A coloração altera o índice de refração das
amostras.
Ampliação total
Apresentam duas lentes:
Lente objetiva – 4x, 10, 40x e 100x
Lente ocular – 10 x ou 20x
Máximo de aumento: 2.000x
Uso de óleo de imersão: aumenta a capacidade de concentração de
luz de uma lente (diminuindo os feixe de luz que iriam emergir para
fora do campo visual)
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Usado na lente objetiva de maior alcanço (100x)
Como preservar da direção dos raios
de luz?
Uso de óleo de imersão (óleo mineral)
Mesmo índice de refração do vidro
Aumenta a potencia de resolução
Resolução = capacidade das lentes
diferençar detalhes e estruturas
Microscópios ópticos de campo claro
Estruturas podem ser observadas pela diferença de
contraste existente entre as estruturas celulares e o
meio circundante.
Ocorre porque as células absorvem ou dispersão luz
em graus variáveis.
Geralmente faz uso de corantes (visualização de
células mortas)
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Microscópios ópticos de campo escuro
Não faz uso de corante (células vivas)
O organismo a ser observado é atingido somente lateralmente pela luz, pois a única luz que atinge a lente ocular corresponde àquela desviada pelo organismo observado e, dessa forma, o organismo parece claro em um fundo escuro.
Técnica excelente para visualizar a motilidade microbiana, uma vez que os flagelos são atingidos por essa técnica.
Faz uso de um condensador de campo escuro (disco opaco), o disco bloqueia a luz que poderia entrar na lente objetiva diretamente.
Somente a luz que é refletida para fora (devolvida) da amostra entra na lente objetiva é visualizada, uma vez que não há luz de fundo direta (fonte de luz bloqueada).
A amostra aparece iluminada contra um fundo preto.
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Microscópios ópticos de fluorescência
Algumas células sofrem fluorescência
quando expostos a luz ultravioleta, já
outras precisam ser corados.
Fluorocromos = corantes florescentes
Amostras são visualizadas luminosas e
brilhantes.
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Microscópios ópticos de contraste de fase
Não faz uso de corantes (visualização de células vivas).
Baseia-se no principio que as células diferem do seu meio
quanto a seu índice de refração.
A luz que atravessa a célula apresenta uma diferença na fase
em relação a luz que atravessa o liquido circundante.
Adição de um dispositivo chamado anel de fase que é
acoplado a lente objetiva
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Microscópios ópticos de contraste
com interferência diferencial
Semelhante ao contraste de fase, pois baseia-se na diferençado índice de
refração.
Utiliza condensador especial com diafragma anelar.
Todavia, possui dois feixes de luz, e ainda, um prisma que separa cada luz,
dando cores diferentes a amostras.
Microscópios eletrônicos
São utilizados para visualizar vírus ou estruturas intracelulares muito
pequenas.
Objetos menores que 0,2 µm (<0,0000002m)
Faz uso de uma feixe de elétrons e lentes eletromagnéticas.
Comprimento de onda dos elétrons são 100mil vezes menores que o
comprimento de onda visível.
Quanto menor o comprimento da onda melhor a resolução da imagem
observada.
Microscópios eletrônico
de Transmissão (MET)
de Varredura (MEV)
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Microscópios eletrônico de transmissão
(MET)
Visualiza estrutura menores que 2,5 ηm (0,0000000025 m).
Aumento: 10.000 a 100.000 x tridimensional.
Morte da célula
Feixe de elétrons , lentes magnéticas e lamina de cobre.
Corte da amostra ultrafino, previamente preparado (fixado e desidratado e fatiado em
fatias de 100 ηm de espessura.
Projeção da sombra
Platina ou Ouro (metais pesados)
Pulverizados em um ângulo de 45°
Coloração somente de um lado da célula, permitindo visualização da forma
tridimensional (Micrografia eletrônica de transmissão).
Coloração
Faz uso de metais pesados (Chumbo, urânio)
Coloração positiva: fixados na amostra
Coloração negativa: causa opacidade do meio circundante.
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Microscópios eletrônico de Varredura (MEV)
Feixe de elétrons finamente focalizado (feixe eletrônico primário.
O feixe primário passa pela amostra e arrasta elétrons (elétrons
secundários)
Elétrons secundários são transmitidos ao um coletor de elétrons
amplificados para produzir uma imagem uma tela ou imagem fotográfica
(micrografia eletrônica de varredura).
Observação da superfície de células ou vírus.
Aumento: 1.000 a 10.000x
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Microscópio óptico Características
Campo claro • Utiliza luz visível
• Não visualiza estrutura me < 0,2 µm.
• Barato e fácil de usar.
• Necessário uso de corantes
Campo escuro • Usa condensador especial com disco opaco que bloqueia
a entrada de luz diretamente na lente objetiva.
• Não é necessário uso de corantes
Contraste de fase • Utiliza condensador especial com diafragma anelar.
• Não é necessário uso de corantes
Contraste com
interferência
diferencial
• Utiliza condensador especial com diafragma anelar.
• Feixe de luz separado por prisma, gerando cores
diferentes na amostra.
• Não é necessário uso de corantes
Fluorescência • Fonte de luz ultravioleta
• Amostra emite luz, geralmente verde.
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Exercicio de Fixação
1. Explique por que o vocabulário da morfologia celular das bactérias é essencial ara microbiologia?
2. Com base na razão superfície/volume celular (V/S) e na taxa de metabolismo Discuta a seguinte
frase: “A morfologia não é uma característica qualquer de uma célula, mas sim uma propriedade
geneticamente codificada, que maximiza a adequação do organismo para o sucesso em hábitat
especifico.”
3. Cite aspectos essenciais que a composição da membrana citoplasmática e da parede celular são
importantes para perpetuação dos seres procariotos no planeta.
4. Discuta como os apêndices celulares de movimentação são um fator importante para vida de seres
procariotos.
5. Conceitue ataxia e suas vantagens para os seres que sofrem esse fenômeno.
6. Estrutura denominada de fímbrias e pilus são encontradas na superfície celular de algumas células
procarióticas. Quais as vantagens evolutivas assegurada por estas estruturas?
7. Os microscópios evoluíram com as investigações científicas e atualmente temos vários
equipamentos que possibilitam a visualização de estruturas celulares diminutas. Diante disto, discuta
a importância do uso de microscópios ópticos e eletrônicos para vida no planeta.
Obrigada!!!