Origem e diversidade de procariotos

Bactérias / Arqueas

Cap. 26 – BACTÉRIA E ARCHAEA

 

CLASSIFICAÇÃO DOS SERES VIVOS

-Antes de 1969- Vida era classificada em dois reinos: Reino animal e reino vegetal

-1969- 1990: (Whittaker R.H.) Vida foi classificada em cinco reinos: Monera, Protista, Planta, Fungi, Animalia

De acordo com a classificação de Linnaeus baseada em anatomy, morphology, embryology, and cell structure

Monera Protista Plantae Fungi Animalia

O sistema tradicional de cinco reinos

Woese, C.R., O. Kandler, & M.L. Wheelis (1990). "Towards a natural system of organisms: Proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya.“ Proc. Natl. Aca. Sci. USA 87:4576-4579.

1990- Carl Woese = Os três domínios da vida

-Revolução na classificação da vida

-Transição da classificação baseada em fenótipo para uma baseada em genótipo

-Separação entre Bactérias e Arqueobactérias= Arqueobactérias foram denominadas Arqueas

-Determinação da relação evolucionária entre as Bactérias e entre as Arqueas

Árvore filogenética universal determinada pela comparação de sequências do rRNA

A aceitação da validade das arqueas como um grupo separado de bactérias, que também são procariotos, pela comunidade científica foi um processo longo e

doloroso.

Somente na década de 1980 este novo grupo foi aceito como válido.

BactériasEucariotos

Arqueas

•Dois domínios procarióticos

•Um domínio eucarióticoambientes contendo metano

fontes termais sulfurosas cujas águas têm pH 2/ atingem temperaturas em torno de 80 graus C

Altas concentrações de sais

2 bilhões de anos

3 bilhões de anos

• Dividem-se em Bactérias e Arqueas• • Criaturas de maior sucesso na terra (se sucesso for medido em número • de indivíduos);

• Viveram sozinhos na terra por aproximadamente 2 bilhões de anos (novos ambinetes e mudaças ambientais);

• Maioria microscópica;

• Maioria bactérias;

• Possuem papéis cruciais na biosfera- interações

• Os dois dominios superam todos os outros em diversidade metabólica;

• Cerca de 4000 espécies conhecidas e estima-se que existam de 400.000 a • 4 milhões de espécies

Biologia geral dos Procariotos

Last Comum Ancestral

LUCA – Last Universal Common Ancestor LUCA deu origem a toda a vida na terra - uma única célula que viveu talvez 3 ou 4

bilhões de anos atrás, e de que toda a vida desde então tem evoluído.

• Procarioto

• Possuía DNA como material genético

• Possuía maquinaria de transcrição e tradução

• Provavelmente possuía um cromossomo circular

• Possuía muitos dos genes agrupados em operons

São procariotos extremistas!

Sobrevivem em ambientes extremos, onde não há possibilidade de vida para outros seres:

-Locais com altas temperaturas =100oC (Thermus aquaticus)-Locais com baixas concentrações ou sem oxigênio-Locais com baixo pH muito baixos-Lagos ou mares com salinidade altíssima-Ambientes próximos a vulcões-Fontes de enxofre, etc.

Arqueas

Acreditava-se que Arqueas só eram capazes de sobreviver

em ambientes extremos. No entanto sabe-se hoje que algumas

Arqueas sobrevivem em ambientes normais

Arqueas

Primeiro genoma sequenciado (Methanococcus jannaschii) 1.738 genes, mais da metade são diferentes dos genes dos outros dois domínios

Grupos de Arqueas

Baseado principalmente no sequenciamento do rRNA

Euryarchaeota = Inclui halófilos, termófilos e metanogênicos

Crenarchaeota= Tanto termófilos quanto acidófilos. Inclui os dependentes de sulfato e termófilos extremos

ArqueasQuanto à morfologia, podem ser esféricas, bacilares, espiraladas, achatadas, quadradas, discóides e muitas vezes de morfologia irregular ou pleomórficas.

Suas dimensões são extremamente variáveis, de 0,1 a 15 µm, com alguns filamentosos atingindo 200 µm.

As archaea apresentam várias características especiais, que permitem seu desenvolvimento em uma vasta gama de ambientes.

Estas incluem: alterações de composição de membrana; composição variada de paredes celulares presença de proteínas tipo histonas, íntrons, mecanismos de splicing, entre outros.

Apresenta composição e estruturação extremamente variáveis.Parede celular

Arqueas

Muitas archaea, inclusive aquelas sem parede celular, podem apresentar flagelos. Estes diferem totalmente dos flagelos bacterianos, uma vez que não apresentam a estruturação em corpo basal, gancho e filamento.

Flagelos

corresponde a uma estrutura única, apresentando composição química e arranjo totalmente diferentes das membranas citoplasmáticas de quase todas as bactérias e de todos eucariotos.

Membrana Citoplasmática

sugere que o ancestral comum seria desprovido de parede, sendo as diversas paredes resultantes de evolução independente, de acordo com os diferentes ambientes e grupos de archaea.

Nas Archaea, o flagelo não apresenta os anéis observados nas bactérias e, geralmente, é composto por vários tipos de “flagelina”, que exibe composição similar a várias fímbrias. Flagelina, que se organiza a partir da membrana citoplasmática, projetando-se para o exterior da célula.

ArqueasTermófilos

• • Termófilo e acidófilo• Metabolismo aeróbio e vivem em depósitos de carvão

Lagoa quente, rica em enxofre, que é convertido a ácido sulfúrico, por espécies de archaea.

Sulfolobus, exemplo de uma archaea do filo Crenarchaeota, habitante da

lagoa ilustrada acima.

(Adaptado de Madigan et al., 2003 - Brock Biology of Microorganisms)

Lago hipersalino no Egito, rico em carbonato de sódio. O pH destas águas encontra-se na faixa

de 10, sendo habitado por archaea halófilas extremas, tais como Halobacterium salinarum. A coloração vermelha é decorrente da presença de

pigmentos carotenóides, presentes nestes organismos.

Thermoplasma, uma archaea desprovida de parede celular.

Pilha de refugo da mineração de carvão, que muitas vezes sofre auto-combustão. Hábitat da archaea

Thermoplasma.

(Adaptado de Madigan et al., 2003 - Brock Biology of Microorganisms)

ArqueasMetanogênicos

•Usam CO2, H e N para produzir metano (CH4) = redução do dióxido de

carbono

•Vivem em pântanos, intestino do gado, térmitas

•São decompositores e podem ser usados no tratamento de esgoto e produção de metano como combustível

Imagem dos metanogênicos produzindo metano

Arqueas

• Vivem em fontes sulforosas quentes a temperaturas de 70 a 75oC

• Obtém energia da oxidação do sulfato

• Crescem melhor na faixa de pH 2 e 3, mas toleram valores baixos como 0,9

Dependentes de sulfato

ArqueasTermófilos extremos e dependentes de sulfato

• Vivem em temperaturas acima de 60oC (até 110oC) ou temperaturas de congelamento

Sulfolobus acidocaldarius

Encontrado em temperaturas de 60 a 95oC e pH 1 a 5

ArqueasHalófilos

• Vivem exclusivamente em ambientes muito salgados (adoram sal) -Fundo do oceano -Oceanos muito salgados (Mar morto) • Podem se apresentar como pontos rosa-avemelhados= colônias

A principal diferença entre Arqueas e outros organismos está na membrana celular

Arqueas

-Hidrocarbonetos de cadeias longas que muitas vezes atravessam toda a membrana e outros se encaixam no modelo de membrana;- Lipídeos das membranas apresentam uma estrutura diferente, contém cadeias de hidrocarbonos conectados ao glicerol por ligações do tipo éter e não ester.

PROCARIOTOS

Devido a influência do dogma procarioto-eucariotoBactérias e Arqueas ainda são considerados procariotos.

No entanto Arqueas são diferentes de bactérias eevolutivamente mais próximas a eucaritos.

Bactéria Arqueas

Cocos

Enterococcus sp.Bactéria que roduz ácido e cresce no intestino de mamíferos

Escherichia coliBactéria mais estudada

Bacilos

Morfologia

Methanococcus janaschiiArquea Methanobacterium

thermoautotrophicumArquea

Espirilos Vibriões

Leptospira interrogansBactéria que causa leptospirose

Vibrio cholerae Bactéria que causa cólera

Morfologia

1. Membrana plasmática, envolve a célula e é responsável pelo tráfico de materiais para dentro e para fora da célula, isolando-as do ambiente;

2. Nucleóide contém o material hereditário (DNA) dentro da célula;

3. Citoplasma: citosol (líquido) e partículas insolúveis incluindo os ribossosmos

Citosol: consiste de água, íons, pequenas moléculas e macromoléculas solúveis como as proteínas

Ribosomes: granulos com cerca de 25 nm de diâmetro que são os sítios para a síntese proteíca.

Células Procarióticas contém certas características:

1. Organização e replicação do material genético são diferentes;

2. DNA não organizado em núcleo envolto por membrana;

3. DNA geralmente circulares;

4. Um único cromossomo, mas as vezes plasmídeos (Estes são compostos por DNA extra-cromossômico, usualmente presentes em múltiplas cópias e freqüentemente codificam fatores de

virulência e fatores de resistência a antibióticos. Algumas formas estão envolvidas na replicação bacteriana);

5. Não possuem nenhuma organela citoplasmática envolvida por membranas (mitocondrias, complexo de golgi, etc…);

6. Citoplasmas com dobras internas da membrana plasmática e sistemas de membranas fotossintéticas;

7. Desprovidas de citoesqueleto – fissão.

Células Procarióticas contém certas características:

Hans Christian Gram, médico dinamarquês

Método de coloração de Gram desenvolvido em 1884

Baseia-se em diferenças na composição da parede celular em bactérias

-Células são sujeitas a tinta violeta-Lavadas com álcool-Sujeitas a tinta vermelha

• Gram positivas= possuem poucos lipídeos e uma camada espessa de peptidoglicano que impede saída do corante violeta

• Gram negativas= possuem muitos lipídeos e uma camada fina peptidoglicano. Corante violeta sai da célula durante lavagem com álcool

Bactérias gram negativas são normalmente mais patogênicas

• Lipídeos são tóxicos

• Membrana externa impede entrada de drogas

Peptídeoglicano ou Mureína:

é um heteropolissacarídeo ligado a peptídeos presente na parede

celular de procariontes.

É formado por dois tipos de açúcares:

(o ácido N-acetilmurâmico e a N-acetilglucosamina) e alguns aminoácidos.

O peptidoglicano é a estrutura que confere rigidez à parede celular de bactérias, determina a forma da bactéria e a protege da lise osmótica, quando em meio hipotônico.

Parede Celular

Figura 1. Micrococcus sp Figura 2. Neisseria gonorrhoeae

peptidoglicano

Gram negativasGram positivas

Aspecto das paredes celulares de organismos Gram positivos e negativos.

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Gram negativasGram positivas

Ambientes

-solo- fixadoras denitrogênio / nitrificantes/denitrificantes;-água--outros seres vivos- tratos digestivos (rúmen), vitaminas B12 e K

Exploram os ambientes e estabelecem relações de:

neutralidade, benevolência ou parasitismo

Vivem nos mais diversos ambientes e são parte de diferentes ecossistemas:

Morfologia

•Maioria unicelular, mas podem possuir organização multicelular

• Podem formar colônias

• Maioria possui diametro de 1-5 µm

• Formas mais comuns:

-Cocos (esféricos)=Isolados ou associados em arranjos bi e tridimensionais formando correntes, placas ou blocos de células

-Bacilos (forma alongada, em bastonete)= isolados ou formar cadeias. Em geral são unicelulares mas podem ser multicelulares

-Espirilos (forma helicoidal)

-Vibriões (forma de vírgula)

Estrutura Célula procariótica possui três regiões estruturais: -Envelope celular : parede celular, cápsula e membrana citoplasmática-Apêndices: flagelos e fimbrias ou pili-Região citoplásmica: genoma, ribossomos e inclusões

Lembre-se bactériassão mais estudadas

EstruturaEnvelope celular

Envelope celular é o conjunto de estruturas de revestimento presente nas bactérias que servem, principalmente, de proteção e separação entre o meio externo e interno.

É constituído pela membrana plasmática, parede celular e, em bactérias gram-negativas, membrana externa ou cápsula.

Parede celular

Arqueas não contém petideoglicano

A parede celular é uma estrutura rígida e porosa que envolve externamente a membrana plasmática de quase todas as bactérias conhecidas.

Suas propriedades básicas são a de determinar a forma característica da bactéria e garantir sua integridade estrutural.

Parede espessa e rígida contendo peptideoglicano (polímero de aminoaçúcares).

A parede celular é constituída por uma complexa matriz polissacarídica denominada peptidoglicano ou mureína.

Estrutura

Cápsula

Estrutura

•Camada externa de natureza polissacarídica ou proteica.

•Fornece proteção física adicional e aderência ao substrato

•Constitui um dos antígenos de superfície das bactérias

• está relacionada com a virulência da bactéria, uma vez que a cápsula confere resistência à fagocitose.

Alguns procariotos possuem cápsulas

Membrana citoplasmática

Estrutura

• Camada de fosfolipídeos e proteínas• Circunda o interior da célula• Regula o fluxo de materiais dentro e fora das células (isolar a célula do meio externo).

Exercendo assim um rigoroso controle no trânsito através das fronteiras da célula.

Esquema da parede celular de organismos Gram negativos(Adaptado de Madigan et al., Brock Biology of Microorganisms, 2003)

EstruturaApêndices: Fimbrias ou pili• As fímbrias ou pili são estruturas curtas e finas que muitas bactérias gram-negativas apresentam em sua superfície.

•Fornecem adesão ao substrato

• Unem bactérias umas às outras possibilitando a troca de material genético

•Há a fímbria sexual, necessária para que bactéria possa transferir material genético no processo denominado conjugação. (pilus F ou fímbria sexual)

Micrografia eletrônica colorizada, revelando a longa fímbria sexual (pilus F). Observar também a presença de fímbrias.

EstruturaApêndices: flagelos

Filamentos formados pela proteína flagelinaque se projeta da superfície celular

Tipo de locomoção mais comum

Salmonellaflagelo

Estrutura de locomoção

•ancorado a membrana plasmática e a parede celular por uma estrutura denominado corpo basal, composta por: dois anéis, nas bactéria gram-positivas e por quatro nas gram-negativas;• de onde saem uma peça intermediária em forma de gancho que se continua com o filamento.•monotríquias e peritríquias.•Via de regra, bacilos e espirilos podem ser flagelados, enquanto cocos, em geral, não o são.

EstruturaRegião citoplásmica: contém genoma, ribossomos e inclusões

•Não possuem núcleo, organelas, citoesqueleto

•Possuem DNA, RNA e todas as enzimas necessárias para replicar,

transcrever e traduzir a informação genética

DNA circular

Plasmídeo bacteriano

-Maioria das bactérias contém plasmídeo

-Geralmente circulares e forma supertorcida

-Número de cópias na célula pode ser pequeno (1) ou grande (100)

-Pode existir mais de um plasmídeo em uma célula

-Contém informações geralmente não essenciais, mas vantajosas

Ex: -genes de resistência a antibióticos -genes para metabolismo de nutrientes em ambientes diversos -genes de virulência

-Extremamente usados como ferremantas em biologia molecular

EstruturaRegião citoplásmica: inclusões

Reprodução

Metabolismo anaeróbio versus aeróbio

•Anaeróbios obrigatórios= sensíveis ao oxigênio

•Anaeróbios facultativos= podem viver tanto em ausência ou presença de oxigênio

•Aeróbios obrigatórios= Não sobrevivem sem oxigênio

Metabolismo

Uso e falta de oxigênio

MetabolismoNutrição: Uso de energia e fontes de carbono para formação de compostos orgânicos

Categorias nutricionais

Principais fontes de energia dos microrganismosquimiotróficos - obtém energia por degradação de nutrientes ou substratos químicos ( a energia é liberada e armazenada, e os produtos finais acumulados)quimioheterotróficos - são organismos quimiotróficos, que degradam compostos orgânicos para obter energiaquimioautotróficos - são organismos quimiotróficos, que degradam compostos inorgânicos para obter energiafototróficos - utilizam luz como fonte de energia. Possuem certos pigmentos que absorvem a luz e armazenam sua energia

Metabolismo

Maioria dos procariotos são quimioheterotróficos

Parasitas = Absorvem seus nutrientes dos fluídos corporais de organimos vivos

Saprófitos = Decompositores que absorvem nutrientes de matéria orgânica morta. Devolvendo ao solo os nutrientes básicos para que o ciclo de cada nutriente seja mantido. São responsáveis pela "reciclagem" da matéria orgânica

Exemplos

Grande variedade de compostos orgânicos utilizados: vitaminas, aminoácidos, glicose e outros

Diversidade e classificaçãoProcariotos, especialmente bactérias, são geralmente classificados de acordo com características fenotípicas

•forma

•cor

•coloração de gram

•motilidade

•nutrição

•aerobiose

Diversidade e classificação

Análises filogenéticas do RNA ribossomal 16S por Carl Woese e outros determinaram a relação evolucionária entre Bactérias e Arqueas e entre as mesmas

Características do rRNA

• Universalmente distribuído • Funcionalmente similar entre organismos • Sequência de nucleotídeos sofre mutações lentas • Possuem sequências chamadas sequências-assinatura

sequências-assinatura= sequências de 6 a14 bases nas mesmas posições do rRNA de grupos relacionados

E quanto a evolução?

Carl Woese também mostrou que existem mecanismos de transferência gênica lateral entre organismos

-Transferência por plasmídeos e vírus

-Internalização do DNA por transformação

Mas como tudo não é tão simples….

As mutações e a transferência gênica lateral durante a evolução de procariotos foi responsável pela rápida evolução de estruturas

biológicas complexas.

Análises das sequências de outros genes demonstraram relações evolutivas diferentes ?

Mutações= maior fonte de variabilidade genética em procariotos

Bactérias

Grupos principais de bactérias

Baseado principalmente no sequenciamento do rRNA

Proteobactérias

Cianobactérias

Espiroquetas

Clamídias

Principais proteobactérias

-E. coli

-Legionella

-Heliobacter pylori

-Cyanobactéria (causa úlceras)

-Neisseria gonorrhea(causa gonorrea)

Bactérias

• Maior grupo em termos de espécies

• Muitas espécies gram-negativas, fotoautotróficas

• Dados evolutivos sugerem que mitocondrias de eucariotos foram derivadas de proteobactérias por endossimbiose

Proteobactéria

Cianobactérias (algas azuis esverdeadas)

• De grande importância ecológica nos ciclos de carbono, oxigênio e nitrogênio

• Podem viver livres em uma única célula ou formar colônias

• Utilizam clorofila a para fotossíntese e liberam gás oxigênio

“Revolução do oxigênio” =que transformou a atmosfera da terra

• Possuem sistema de membrana interna altamente organizados chamados lamelas fotossintetizantes ou tilacóides que lembram cloroplastos Cloroplastos de eucariotos sintetizantes são derivados de cianobactérias por endossimbiose

Bactérias

Anabaena Espécie fixadora

de nitrogênio

SynechococcusEspécie de ambientes

marinhos e águas termais

Outras cianobactérias

Bactérias

Espiroquetas• Morfologia e modos de locomoção únicos

• Possuem forma de um longo cilindro em espiral, parecidas com saca-rolhas

• Possuem um filamento axial ou endoflagelo = fibrilas que correm através do espaço periplásmico

• Muitas são parasitas de seres humanos. Outros vivem em lamas ou água

Corte transversal de uma espiroqueta mostando a localização do endoflagelo entre a membrana interna e camada externa

Borrelia burgdorferi causador de lime disease

Treponema pallidum Causador da sífilis

Bactérias

Clamídias• Menores bactérias (0,2 a 1,5 µm de diâmetro)

• Parasitas intracelulares obrigatórios

• Obtém ATP da célula hospedeira

Chlamydia trachomatis

Maior causa de cegueira no mundoTambém causa uretrite (doença sexualmente transmitida)

Bactérias

Bactérias

Ação dos antibióticos

Principais alvos de antibióticos (afetam bactérias mas não afetam humanos)

• Inibição da síntese de ácidos nucleicos (ex: Rifamcina, Cloroquina)

• Inibição da síntese de proteínas (ex: Tetraciclinas, clorafenicol)

• Ação na membrana celular (ex: Polienos, polimicina)

• Ação na parede celular (ex: penicilina, Vancomicina)

Procarioto Eucarioto

Organização Celular em Organismos Eucariotos e ProcariotosOrganização Celular em Organismos Eucariotos e Procariotos

EXTRAS

A extremidade protéica liga-se ao peptidoglicano enquanto que a porção lipídica associa-se aos lipídios da membrana externa. Em bactérias Gram-positivas não há espaço periplásmico óbvio.Ancoragem da membrana externa à parede celular.

Espaço periplásmico

Representação esquemática comparando as estruturas dos envelopes de bactérias Gram-positivas e Gram-negativas;

Nas bactérias Gram-negativas, o complexo peptidoglicano-membrana externa cria um compartimento denominado espaço periplásmico ou periplasma;

O periplasma é uma camada coloidal que contém grande quantidade de enzimas hidrolíticas e outras que direcionam nutrientes essenciais para as proteínas de transporte da membrana plasmática, evitando que se difundam de volta para o meio externo;

O espaço periplásmico contém enzimas inativadoras de antibióticos, quimiorreceptores (sensores que auxiliam a célula a detectar mudanças no ambiente) e oligossacarídios que parecem auxiliar a bactéria a resistir à osmolaridade do meio;

No espaço periplásmico de muitas bactérias Gram-negativas, entre a parede celular e a camada fosfolipídica da membrana externa existem lipoproteínas que auxiliariam na ancoragem da membrana externa à parede celular;

Operon

Bacterial Plasmids:

• double stranded DNA

• usually circular DNA molecules

• self replicating

• curing: elimination of plasmid

Episome: plasmids that can be integrated into chromosomes

Conjugative plasmids: genes for pili, can be transferred during conjugation

Type of plasmids:

• Fertility factors

• Resistance factors

• Col plasmids

• Virulence plasmids

• Metabolic plasmids

Resistance Factors:

• confer resistance to antibiotics

• some are conjugative

• usually not episomes

Virulence Plasmids:

• genes that confer resistance to host defense mechanisms

• genes encode toxins

Transferência Horizontal

3 mecanismos de HGT

(Horizontal Gene Transfer)

• TRANSFORMATION = TRANSFORMATION = free DNA in environmentfree DNA in environment

• CONJUGATION = CONJUGATION = transfer by cell-to-cell contacttransfer by cell-to-cell contact

• TRANSDUCTION = TRANSDUCTION = donor DNA transfer by virusdonor DNA transfer by virus