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Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

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Page 1: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Fatores determinantes ambientais

Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Page 2: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Fatores determinantes ambientais

1.Crescimento

2.Sobrevivência

Lei do Mínimo de Liebig

- nutrientes

Lei da Tolerância de Shelford

- fatores físico-químicos

Page 3: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Leis

Mínimo de Liebig

A massa total de um microrganismo em um ecossistema é determinada pelo nutriente presente na concentração mínima.

Tolerância de Shelford

Para um microrganismo se estabelecer em um ecossistema cada um dos parâmetros abióticos deve permanecer dentro da faixa de tolerância.

Page 4: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Eugene P. Odum (1971)

O sucesso de um organismo num ecossistema

depende de nutrientes e de sua tolerância

aos fatores ambientais.

Biólogo americano pioneiro nos trabalhos sobre a ecologia e na disseminação da consciência social sobre os ecossistemas.

Page 5: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Temperatura

Fator mais estudado

Tolerância mínima <12 °C (psicrófilos)

Tolerância superior >100 °C

(redutoras de sulfatos e oxidantes de S, profundezas oceânicas)

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Seres vivos e temperatura

Eucariontes não crescem geralmente em temperaturas >60

°C (sensibilidade das organelas).

Protozoários, algas e fungos ~55-60 °C

Cianobactérias crescem a 70-75°C

Bactérias hipertermofílicos crescem a 70-90 °C

Áqueas anaeróbias são as realezas das temperaturas

elevadas:

• Metanogênicas: 110 °C

• Pyrococcus e outros: ~115 °C (+ pressão elevada)

O2, NO3-1 ou S0 como receptores de elétrons.

Page 7: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

A temperatura influencia o metabolismo

Temperaturas elevadas destruição das proteínas

Temperaturas baixas gelificação das membranas

Page 8: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Em geral, quando a temperatura aumenta a velocidade das reações enzimáticas também aumenta.

Temperatura

Atividade enzimática/ Velocidade crescimento

a. Temperatura e crescimento

Page 9: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Efeito da temperatura no crescimento

Atividade enzimática fator mais diretamente relacionado:

- Atividade enzimática aumenta, a célula produz mais energia e aumenta o número de células.

Velocidade de reação duplica a cada aumento de 10 °C

Temperatura ótima é mais próxima da máxima

Temperatura ótima é uma temperatura específica ou se inclui em uma faixa reduzida.

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b.Temperaturas cardinais temperatura mínima, ótima e máxima

Ve

loci

da

de

de

cr

esc

ime

nto

Temperatura

Tmax é próxima de To

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Temperaturas cardinais

Temperatura máxima ......... 50 oC

Temperatura mínima .......... 10 oC

Temperatura ótima.............. 30 oC

Abaixo crescimento não ocorre

Acima crescimento não ocorre

Crescimento ocorre maior velocidade

Cada espécie apresenta um curva com formato semelhante, somente com valores cardinais diferentes

Page 12: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Fatores que determinam os limites para crescimento superior e inferior

Limite superior é determinado pela

ESTABILIDADE DAS PROTEÍNAS

Tmax = temperatura em que uma determinada proteína é destruída

mais rapidamente do que é produzida.

SEQUÊNCIA DOS AMINOÁCIDOS

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Limite inferior

Enzimas alostéricas tornam-se menos sensíveis

Defeitos de estruturação (principalmente ribossomos)

Sintese protéica

Célula morre por carência nutricional

Page 14: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Psicrófilos

Faixa de temperatura ótima abaixo de 20 °C.

Mesófilos

Faixa de temperatura ótima entre 20 e 45 °C.

Termófilos

Faixa de temperatura ótima entre 45 e 80 °C.

Hipertermófilo

Faixa de temperatura ótima acima de 80 °C.

Classes de temperaturas de crescimento considerando as temperaturas cardinais

Page 15: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

The Prokaryotic Growth Temperature Database (PGTdb)O banco de dados de temperatura de crescimento de procariotos (PGTdb) é uma base de dados que fornece as temperaturas de crescimento de uma coleção de organismos.

Temperatura de crescimento Temperatura na qual um organismos é geralmente cultivado

Temperatura ótima para crescimento Representa a temperatura em que um organismo cresce mais rapidamente.

http://pgtdb.csie.ncu.edu.tw/

Page 16: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

As informações da PGTdb são útil para:(1)o cultivo de microrganismos, que está relacionado com a produção de inúmeros biomateriais.(2)análise da termoestabilidade de proteínas..(3)obter informações da fisiologia e ecologia dos microrganismos(4)obter propriedades filogenéticas.

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c. Classificação dos microrganismos com base na temperatura ótima para crescimento V

eloc

idad

e de

cre

scim

ento

Temperatura (°C)

0 15 30 45 60 75 90 105

Exemplos

Psicrófilos <15 °C

Mesófilos20 - 50°C

39°

Termófilos50 - 80°C

60°

Hipertermófilos80 - 113°C

88° 106°

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Psicrófilos e psicrótrofos (“psycro = frio”)

Psicrófilos - crescem bem a 0 mas otimamente a 15 °C ou mais baixo.

Psicrótrofos (ou psicrófilos facultativos) crescem entre 0 e 7 °C, otimamente entre 20-30, e máximo a 35 °C.

Nos EUA, 25 % dos problemas relacionados com a vida de prateleira do leite pasteurizado e produtos cremosos decorre da atividade deletéria de psicrótrofos.

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Psicrófilos ~ 5 °C

Ambientes refrigerados.

Região Ártico e Antártida

Psicrótrofos < 7 °C

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Associada a alimentos congelados pode causar até meningite

Psicrófila facultativa

Page 22: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Adaptações a temperaturas baixas

Ácidos graxos poli-insaturados se inclinam deixando aberturas = + fluidez

• Enzimas com máxima atividade ocorrendo em baixas temperaturas

• Membranas com mais ácidos graxos insaturados que aumentam a fluidez

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Mesófilos (de meso, médio)

Temperaturas cardinais:

Mínima: 15-20 °C

Ótima: 20-45 °C

Máxima: </= 45 °C

Maioria dos residentes no corpo humano e dos patógenos são mesófilos, temperatura corpo humano 37 °C. Residentes do solo e água em regiões tropicais e subtropicais.

Page 24: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Bactéria associada a úlceras gástricas e câncer de estômagoMesófila

Estas bactérias vivem exclusivamente no estômago humano e são o único organismo conhecido capaz de colonizar esse ambiente muito ácido, em parte pela sua capacidade de excretar de uma "nuvem" de amônia que as protege do ácido.

Page 25: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Termófilos (de termo = calor)

Temperaturas cardinais

Mínima: 45 °C

Ótima: 55-65 °C

Maioria dos procariotos e alguns eucariotos

Adaptações:

• Proteínas altamente estáveis (proteínas mais densas em termos de estrutura, menos H2O)

• DNA estabilizado por histonas

• Membranas contendo lipídios de elevado peso molecular, mais saturados e ramificados portanto mais estáveis.

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Adaptação a altas temperaturas

1. Proteinas Hsp (heat schock proteins)

Microrganismos respondem a temperaturas elevadas produzindo proteínas de choque. Estas proteínas são resistentes e se ligam e protegem proteínas essenciais e enzimas da desnaturação.

2. Fluidez da membrana

- Menos fluida “congelam” em temperaturas baixas

- Mais fluida “derretem” em yemperaturas elevadas

Fluidez adequada pode ser mantida alterando a proporção de ácidos graxos saturados e insaturados nos fosfolipídios da membrana.

• Saturados: cadeias retas, alinhadas com fluidez mínima

• Insaturados- com uma ou mais ligações duplas, cadeias de CH dobram-se de forma que os fosfolipídios não se alinham adequadamente sendo a membrana menos organizada e portanto mais fluida.

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http://telstar.ote.cmu.edu/biology/MembranePage/index2.html

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Temperatura e membranas

Temperaturas

baixas

Temperaturas elevadas

Insaturados

Saturados

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Termófilos Compostagem

Temperatura: O metabolismo exotérmico dos microrganismos, durante a fermentação aeróbia, produz um rápido aquecimento da massa. Cada grupo é especializado e desenvolve-se numa faixa de temperatura ótima. Promover condições para o estabelecimento da temperatura ótima para os microrganismos é fundamental.

Ao passar pela fase termófila haverá a destruição de ovos, larvas e microrganismos patogênicos que

existir na massa inicial.

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Grupos de microrganismos termofílicos e termotolerantes

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Yellowstone Park

Thermus aquaticus

Clorofila/carotenóides(microbianos)

criado pelo Congresso Americano como um parque nacional em 1872.

Page 32: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Hipertermófilos, termófilos extremos ou extremófilos

Crescimento: > 80 °C

Crescimento ótimo acima de 100 °C

Faixa: 80 -113 °C

Maioria Archaea

Ventarolas marinhas, geyseres

- Sulfolobus acidocaldarius (Yellowstone)

- Pyrobolus fumarius (ventarolas)

Cresce a 113 °C e para de crescer a 90 °C

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Geyseres no Yellowstone Park apresentam as cores fortes resultado da presença de bactérias termófilas.

Page 34: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Os procariotos habitam quase todos os meio ambientes da Terra

Page 35: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Ventarolas marinhas

Temperaturas entre 2 a 400 °C

Habitat de termófilos e hipertermófilos

Page 36: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Efeito da baixa temperatura

Atividade enzimática reduzida (pela redução movimento molecular)

Membranas começam a solidificar portanto funcionam ineficientemente

Bactérias compensam incorporando lipídios insaturados (tem mais baixo ponto de congelamento)

Nem sempre são letais para as bactérias

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Efeito das temperatura elevadas

Membranas tornam-se demasiado fluidas - perigo de vazamento do conteúdo celular.

Bactérias compensam incorporando mais lipídios com ácidos graxos saturados (aumentam as ligações hidrofóbicas que ajudam a sustentação da membrana)

Enzimas são desnaturadas, impossibilitando processos celulares importantes e levando a morte celular.

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Características dos hipertermófilos

Ambientes quentes e ácidos (Yellowstone e Ventarolas)

Maioria é quimioautotrófica usando substâncias químicas que retiram da água para produzir ATP.

Dão a coloração esverdeada devido a seus metabólitos.

Usam ainda organismos mortos que afundam nestas regiões.

Page 40: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Hipertermófilos (Sulfolobus acidocaldarius) tem uma taxa de mutação mais baixa, sugerindo que a proteção do DNA e mecanismos de reparo são mais eficientes do que as bactérias mesofílicas.

• Hipertermófilos usam uma enzima denominada DNA girase reversa que enrola o DNA no sentido positivo, que é mais estável.

• Hipertermófilos dispõem em geral de DNA mais rico em G+C.

• Hipertermófilas Archaea codificam para uma proteína

Alba (Sso10b) que protege o DNA contra o efeito de melting (derretimento) térmico.

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Hipertermófilos são na sua maioria Archaea

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Porquê estudar os termófilos extremos?

1. ENZIMAS – uso industrial

2. Informações sobre o início da vida na Terra.

Page 45: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Aplicações dos hipertermófilos

Exemplos:

Diagnósticos (Taq polimerase)

Indústria de Papel e celulose

Indústria do amido

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Taq polimerase

Thermus aquaticus

PCR (reação em cadeia da

polimerase)

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Branqueamento de papel

Químico(dióxido de cloro, ozônio, peróxido de hidrogênio e

altas temperaturas)

PoluentesHemicelulases e xilanases de hipertermófilos.

Thermotoga maritima

Page 48: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Os Sulfolobus são quimiolitotróficos aeróbicos, que oxidam H2S ou So

para H2SO4 e fixam CO2 como fonte de carbono..

Fisiologicamente osPyrodictium são anaeróbios estritos que crescem quimiolitotroficamente oxidando H2, usando o So como aceptor de elétrons ou quimiorganotroficamente, sobre complexas misturas orgânicas.

Exemplo de procariotos hipertermófilos

Page 49: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Um problema inerente às enzimas dos extremófilos, é a dificuldade de produzi-las utilizando os microrganismos selvagens.

Em geral necessitam de condições especiais para se reproduzirem, como ambientes anaeróbios estritos, altas temperaturas, meios definidos, etc.

Alternativa: expressão das enzimas em outros microrganismos de fácil manipulação.

Page 50: Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

FIM