fatores determinantes ambientais tipos de fatores: abióticos e bióticos
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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
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.
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.
Temperatura
Fator mais estudado
Tolerância mínima <12 °C (psicrófilos)
Tolerância superior >100 °C
(redutoras de sulfatos e oxidantes de S, profundezas oceânicas)
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.
A temperatura influencia o metabolismo
Temperaturas elevadas destruição das proteínas
Temperaturas baixas gelificação das membranas
Em geral, quando a temperatura aumenta a velocidade das reações enzimáticas também aumenta.
Temperatura
Atividade enzimática/ Velocidade crescimento
a. Temperatura e crescimento
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.
b.Temperaturas cardinais temperatura mínima, ótima e máxima
Ve
loci
da
de
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nto
Temperatura
Tmax é próxima de To
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
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
Limite inferior
Enzimas alostéricas tornam-se menos sensíveis
Defeitos de estruturação (principalmente ribossomos)
Sintese protéica
Célula morre por carência nutricional
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
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/
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.
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
4°
Mesófilos20 - 50°C
39°
Termófilos50 - 80°C
60°
Hipertermófilos80 - 113°C
88° 106°
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.
Psicrófilos ~ 5 °C
Ambientes refrigerados.
Região Ártico e Antártida
Psicrótrofos < 7 °C
Associada a alimentos congelados pode causar até meningite
Psicrófila facultativa
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
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.
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.
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.
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.
http://telstar.ote.cmu.edu/biology/MembranePage/index2.html
Temperatura e membranas
Temperaturas
baixas
Temperaturas elevadas
Insaturados
Saturados
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.
Grupos de microrganismos termofílicos e termotolerantes
Yellowstone Park
Thermus aquaticus
Clorofila/carotenóides(microbianos)
criado pelo Congresso Americano como um parque nacional em 1872.
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
Geyseres no Yellowstone Park apresentam as cores fortes resultado da presença de bactérias termófilas.
Os procariotos habitam quase todos os meio ambientes da Terra
Ventarolas marinhas
Temperaturas entre 2 a 400 °C
Habitat de termófilos e hipertermófilos
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
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.
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.
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.
Hipertermófilos são na sua maioria Archaea
Porquê estudar os termófilos extremos?
1. ENZIMAS – uso industrial
2. Informações sobre o início da vida na Terra.
Aplicações dos hipertermófilos
Exemplos:
Diagnósticos (Taq polimerase)
Indústria de Papel e celulose
Indústria do amido
Taq polimerase
Thermus aquaticus
PCR (reação em cadeia da
polimerase)
Branqueamento de papel
Químico(dióxido de cloro, ozônio, peróxido de hidrogênio e
altas temperaturas)
PoluentesHemicelulases e xilanases de hipertermófilos.
Thermotoga maritima
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
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.
FIM