FISIOLOGIA BACTERIANA

FISIOLOGIA BACTERIANA

O crescimento e divisão celulares necessitam de um ambiente propício com

todos os constituintes químicos e físicos necessários para o seu metabolismo. Essas

necessidades específicas são dependentes de informações genéticas para cada espécie

bacteriana. Algumas espécies com vasta flexibilidade nutricional, como as Pseudomonas, são

capazes de sintetizar muitos de seus metabólitos a partir de precursores simples, enquanto

outras espécies são mais exigentes, como as Porphyromonas e Treponemas, que necessitam

de nutrientes complexos para o crescimento e reprodução.

NUTRIÇÃO

A análise das estruturas bacterianas revela que sua arquitetura é formada por

diferentes macromoléculas, em particular, proteínas e ácidos nucléicos. Os precursores das

macromoléculas podem ser retirados do meio ambiente ou ser sintetizados pelas bactérias a

partir de compostos mais simples. A alternativa escolhida vai depender da disponibilidade do

composto no meio e da capacidade de síntese do microrganismo. As substâncias ou elementos

retirados do ambiente e usados para construir novos componentes celulares ou para obter

energia são chamados nutrientes. Os nutrientes podem ser divididos em duas classes:

macronutrientes e micronutrientes. Ambos os tipos são imprescindíveis, mas os primeiros são

requeridos em grandes quantidades por serem os principais constituintes dos compostos

orgânicos celulares e / ou serem utilizados como combustível.

Macronutrientes

Carbono: está presente na maioria das substâncias que compõem as células.

As bactérias podem utilizar o carbono inorgânico existente no ambiente, na forma de

carbonatos ou de CO2 como única fonte de carbono. São neste caso chamadas de autotróficas.

Os microrganismos que obrigatoriamente requerem uma fonte orgânica de carbono são

denominados heterotróficos e as principais fontes, são os carboidratos.

Oxigênio: é requerido na forma molecular como aceptor final na cadeia de

transporte de elétrons aeróbia. Também é elemento importante em várias moléculas orgânicas

e inorgânicas.

Hidrogênio: como componente muito freqüente da matéria orgânica e

inorgânica, também constitui um elemento comum de todo material celular.

Nitrogênio: é componente de proteínas e ácidos nucléicos, além de vitaminas e

outros compostos celulares. Está disponível na natureza sob a forma de gás (N2) ou na forma

combinada. Sua utilização como N2 é restrita a um grupo de bactérias cujo principal habitat é

o solo. Na forma combinada, o nitrogênio é encontrado como matéria inorgânica (NH3 , NO3

-,

etc.) ou matéria orgânica: aminoácidos, purinas e pirimidinas.

Enxofre: faz parte de aminoácidos (cisteína e metionina), de vitaminas e

grupos prostéticos de várias proteínas importantes em reações de óxido-redução. Da mesma

forma que o nitrogênio, o enxofre pode ser encontrado no ambiente nas formas elementar,

oxidada e reduzida; estas duas últimas aparecem como compostos orgânicos e inorgânicos.

Todas as alternativas citadas podem ser utilizadas pelas bactérias, porém são os sulfatos

(SO4

-2) inorgânicos ou os aminoácidos as formas preferencialmente assimiladas. Na forma

oxidada, também pode ser aceptor final de elétrons das cadeias de transporte de elétrons

anaeróbias.

Fósforo: é encontrado na célula na forma combinada a moléculas importantes como os

nucleotídeos (ATP, CTP, GTP, UTP, TTP) e como fosfato inorgânico; nesta última forma é

incorporado através de poucas reações metabólicas, embora uma delas seja de fundamental

importância: a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato. As substâncias fosforiladas podem

estar envolvidas com o armazenamento de energia ( como o ATP) ou atuar como reguladoras

de processos metabólicos: muitas enzimas tornam-se ativas ao serem fosforiladas.

Micronutrientes

Os elementos ferro, magnésio, manganês, cálcio, zinco, potássio, sódio, cobre,

cloro, cobalto, molibdênio, selênio e outros são encontrados sempre na forma inorgânica,

fazendo parte de minerais. São necessários ao desenvolvimento microbiano, mas em

quantidades variáveis, dependendo do elemento e do microrganismo considerados.

Os micronutrientes podem atuar de diferentes maneiras, incluindo as seguintes

funções principais:

- componentes de proteínas, como o ferro que participa da composição de

várias proteínas enzimáticas ou não, de citocromos, etc.;

- cofatores de enzimas, como o magnésio, potássio, molibdênio, etc.

- Componentes de estruturas, como o cálcio, presente em um dos envoltórios

dos esporos;

- Osmorreguladores.

Condições de Cultivo

Para se cultivar microrganismos deve-se obedecer a requisitos básicos

obrigatórios, quais sejam incubá-los em meios de cultura adequados e incubá-los em

condições ambientais igualmente adequadas.

Um inóculo é uma amostra de material contendo geralmente uma pequena

quantidade de microrganismos; obedecidas as condições citadas, os microrganismos contidos

no inóculo multiplicam-se, aumentando em número e massa e, com isto, atingindo o objetivo

desejado.

Meios de Cultura

Meio de cultura é uma mistura de nutrientes necessários ao crescimento

microbiano. Basicamente deve conter a fonte de energia e de todos os elementos

imprescindíveis à vida das células. A formulação de um meio de cultura deve levar em conta

o tipo nutritivo no qual o microrganismo pertence, considerando-se a fonte de energia (luz ou

substância química), o substrato doador de elétrons (orgânico ou inorgânico) e a fonte de

carbono (orgânica ou inorgânica). Estabelecidas as condições gerais, o meio de cultura deve

ainda atender as necessidades específicas do grupo, da família, do gênero ou da espécie que se

deseja cultivar. Assim, é imprescindível acrescentar ao meio vitaminas, cofatores,

aminoácidos, etc., quando estes compostos não são sintetizados pelos microrganismos que se

deseja cultivar.

Fatores de crescimento

Entre as bactérias heterotróficas há uma imensa variedade de exigências

nutritivas. Algumas são capazes de crescer em meio muito simples, constituído de uma

solução de glicose, sal de amônio e alguns sais minerais. A partir desses compostos,

sintetizam todos os componentes do protoplasma: proteínas, polissacarídeos, ácidos nucléicos,

coenzimas, etc. Outras, todavia, são incapazes de sintetizar determinados compostos

orgânicos essenciais para o seu metabolismo. Para que estes microrganismos possam crescer,

tais compostos devem ser obtidos do meio natural ou artificial em que vivem. Essas

substâncias são denominadas fatores de crescimento. Muitos desses fatores são componentes

de coenzimas, que, para o homem, são vitaminas. Na realidade, certas vitaminas, como o

ácido fólico, foram descobertas por serem necessárias ao crescimento de determinadas

bactérias. As composições dos meios de cultura, portanto, podem ser muito variadas. Um

meio pode ter uma composição simples, contendo um único carboidrato como fonte de

energia e carbono e alguns sais minerais; em outro extremo estão os meios requeridos por

microrganismos mais exigentes, apresentando composição complexa, contendo várias fontes

de carbono e energia, vitaminas e aminoácidos, podendo ainda ser acrescidos de sangue ou

soro de animais.

Além da composição qualitativa, o meio de cultura deve obedecer aos limites

de quantidade de cada componente suportáveis pelos microrganismos.

Muitas vezes o meio de cultura deve conter substâncias para neutralizar a ação

de produtos tóxicos lançados pelos próprios microrganismos, que sofrem os efeitos de seu

acúmulo. Um exemplo rotineiro é adição de tampões para impedir a queda de pH provocada

pelos ácidos orgânicos produzidos por fermentação bacteriana.

Os meios podem ser líquidos, quando são uma solução aquosa de nutrientes, ou

sólidos, quando a solução aquosa é gelificada por um polissacarídeo extraído de algas, o ágar.

O meio sólido é obrigatoriamente usado quando se pretende separar células. Cada célula

individualizada ou agrupamento isolado dá origem, por multiplicação, a um aglomerado que

constitui uma colônia. Colônias de diferentes espécies geralmente apresentam características

morfológicas diferentes.

Os meios de cultura podem ser seletivos, quando contêm uma substância que

inibe o crescimento de um determinado grupo de microrganismos, mas permite o

desenvolvimento de outros.

Influência de fatores ambientais

A tomada de nutrientes e posterior metabolismo são influenciados por fatores

físicos e químicos do meio ambiente. Os principais fatores são: temperatura, pH, presença de

oxigênio, pressão osmótica e luz.

Temperatura

Cada tipo de bactéria apresenta uma temperatura ótima de crescimento, em

torno desta temperatura observa-se um intervalo dentro do qual o desenvolvimento também

ocorre, sem, no entanto, atingir o seu máximo. Ultrapassado o limite superior, rapidamente

ocorre desnaturação do material celular e, conseqüentemente, a morte da célula. As

temperaturas inferiores à ótima levam a uma desaceleração das reações metabólicas, com

diminuição da velocidade de multiplicação celular, que em caso extremo, fica impedida.

As variações quanto ao requerimento térmico permite classificar as bactérias

segundo a temperatura ótima para o seu crescimento, em:

- psicrófilas: entre 12 e 17º C

- mesófilas: entre 28 e 37ºC

- termófilas: 57 e 87ºC

Embora grupos excêntricos, que necessitam de altas temperaturas para o seu

crescimento, a maioria concentra-se no grupo de mesófilas, principalmente as de interesse

médico, veterinário e agronômico.

pH

Os valores de pH em torno da neutralidade são os mais adequados para

absorção de alimentos para a grande maioria das bactérias. Existem, no entanto, grupos

adaptados a viver em ambientes ácidos e alcalinos.

Oxigênio

O oxigênio pode ser indispensável, letal ou inócuo para as bactérias, o que

permite classificá-las em:

- aeróbias estritas: exigem a presença de oxigênio, como as do gênero

Acinetobacter.

- microaerófilas: necessitam de baixos teores de oxigênio, como o

Campylobacter jejuni.

- facultativas: apresentam mecanismos que as capacitam a utilizar o

oxigênio quando disponível, mas desenvolver-se também em sua ausência.

Escherichia coli e vária bactérias entéricas tem esta característica.

- anaeróbias estritas: não toleram o oxigênio. Ex.: Clostridium tetani,

bactéria produtora de potente toxina que só se desenvolve em tecidos

necrosados carentes de oxigênio.

Exoenzimas

A seletividade da membrana citoplasmática impede que macromoléculas como

proteínas, amido, celulose e lipídeos sejam transportadas para o interior da célula. Para essas

moléculas serem utilizadas pelos microrganismos, é necessário cindidas, dando origem a

compostos menores, aos quais as membranas são permeáveis.

A quebra das moléculas é promovida por enzimas hidrolíticas, denominadas

exoenzimas por atuarem fora da membrana citoplasmática. As exoenzimas apresentam

especificidade pelo substrato, atuando sobre proteínas ou amidos, ou determinados lipídeos, e

constituem um fator de virulência, uma vez que podem hidrolisar componentes estruturais de

tecidos, conferindo ao microrganismo capacidade invasora e de permanência em outros

organismos vivos.

Além de estarem associadas à nutrição dos microrganismos, as exoenzimas

podem contribuir para a sua sobrevivência, uma vez que catalisam a hidrólise de substâncias

que lhes são tóxicas ou mesmo letais.

Reprodução bacteriana

- Crescimento: aumento do protoplasma celular pela síntese de ácidos

nucléicos, proteínas, polissacarídeos e lipídeos; e, absorção de água e

eletrólitos. Termina na divisão celular.

- Multiplicação: resposta necessária à pressão de crescimento.

Modo de reprodução

- Cissiparidade: formação de um septo equatorial na região do mesossomo e

divisão da célula-mãe, em duas células filhas. “Cocos” em qualquer

direção, “bacilos e espirilos”, no sentido transversal.

Curva de crescimento bacteriano

Embora as bactérias desenvolvam-se bem em meios de cultura sólidos , os

estudos de crescimento são feitos essencialmente em meios líquidos e as considerações que

seguem são válidas para essas condições.

Quando uma determinada bactéria é semeada num meio líquido de composição

apropriada e incubada em temperatura adequada, o seu crescimento segue uma curva definida

e característica.

Fase lag (A): esta fase de crescimento ocorre quando as células são

transferidas de um meio para outro ou de um ambiente para outro. Esta é a fase de ajuste e

representa o período necessário para adaptação das células ao novo ambiente. As células nesta

fase aumentam no volume total em quase duas ou quatro vezes, mas não se dividem. Tais

Tempo (horas)

curva de crescimento bacteriano

bactérias

células estão sintetizando DNA, novas proteínas e enzimas, que são um pré-requisito para

divisão.

Fase exponencial ou log (B): nesta fase, as células estão se dividindo a uma

taxa geométrica constante até atingir um máximo de crescimento. Os componentes celulares

como RNA, proteínas, peso seco e polímeros da parede celular estão também aumentando a

uma taxa constante. Como as células na fase exponencial estão se dividindo a uma taxa

máxima, elas são muito menores em diâmetro que as células na fase Lag. A fase de

crescimento exponencial normalmente chega ao final devido à depleção de nutrientes

essenciais, diminuição de oxigênio em cultura aeróbia ou acúmulo de produtos tóxicos.

Fase estacionária (C): durante esta fase, há rápido decréscimo na taxa de

divisão celular. Eventualmente, o número total de células em divisão será igual ao número de

células mortas, resultando na verdadeira população celular estacionária. A energia necessária

para manter as células na fase estacionária é denominada energia de manutenção e é obtida a

partir da degradação de produtos de armazenamento celular, ou seja, glicogênio, amido e

lipídeos.

Fase de morte ou declínio (D): quando as condições se tornam fortemente

impróprias para o crescimento, as células se reproduzem mais lentamente e as células mortas

aumentam em números elevados. Nesta fase o meio se encontra deficiente em nutrientes e

rico em toxinas produzidas pelos próprios microrganismos.

Metabolismo Bacteriano

Uma vez garantidos pelo ambiente os nutrientes e as condições adequadas para

assimilá-los, as bactérias vão absorvê-los e transformá-los para que cumpram suas funções

básicas, quais sejam, o suprimento de energia e de matéria prima. Como matéria-prima, os

nutrientes vão ser transformados em estruturas celulares ou em moléculas acessórias à sua

síntese e funcionamento.

Obtenção de energia

As substâncias com alto valor energético são sempre aquelas com elevado grau de redução, e

grande parte das bactérias (exceção às fotossintetizantes) vai obter toda energia de que

necessita por oxidação desses substratos. As substâncias preferencialmente oxidadas por

microrganismos são os açúcares, seguidos de proteínas, peptídios e, mais raramente, as

gorduras.

As bactérias utilizam energia para o transporte de nutrientes, o movimento dos

flagelos, mas sobretudo para as biossínteses.

WIELAND (1912), reconheceu que a maioria das reações biológicas, ocorre na

ausência de oxigênio, por desidrogenação. Em biologia, pode-se dizer que a perda de um

elétron equivale a perda de um hidrogênio. Pode-se, então, definir oxidação como o ganho de

um hidrogênio e redução como a perda de um hidrogênio.

Fermentação

Metabolismo no qual os compostos orgânicos servem como doadores e receptores

de elétrons (hidrogênio). A fermentação conduz, geralmente, à cisão parcial de moléculas de

glicose (glicólise).

– Conceito antigo (clássico): decomposição microbiana de carboidratos na

ausência de oxigênio.

Dentre os vários tipos de fermentação, pode-se citar:

– Fermentação homolática: produção de ácido lático como produto final.

– Fermentação alcoólica: produção de álcool como produto final.

– Fermentação mista: produção de álcool, ácido e gás.

– Fermentação butileno-glicólica: produção do butileno glicol (não ácido)

como produto final.

Putrefação

Decomposição de compostos nitrogenados (proteínas), utilizando-se de substância

orgânica como aceptor-doador de elétrons. É um tipo de fermentação que produz produtos

finais de odor desagradável: indol, escatol, ácido sulfídrico.

Respiração

Decomposição microbiana de substratos cujo receptor de hidrogênio é o oxigênio.

Na respiração ocorrem as seguintes etapas:

a) Ciclo de Krebs;

b) Cadeia transportadora de elétrons;

c) Fosforilação oxidativa.

Respiração anaeróbica

Quando o oxigênio é substituído por outro receptor inorgânico de elétrons.

 

 

 

 

fonte: BIER, O. Fisiologia bacteriana. In: Microbiologia e Imunologia. 23.ed. São Paulo,

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POSTADO POR: FRANCISCO NUNES