Procariotos: Estrutura e função Microbiologia Geral MIP 7013 Prof. Admir J. Giachini

1. Introdução Origem: 3,8 a 3,5 bilhões de anos (condições anoxigênicas)

1. Introdução Com base em comparações de sequências do rRNA (16S, 23S): Três Domínios (Super-reinos) Bacteria Archae Eucarya (Woese, 1977) Procariotos Madigan et al., 2004

Propriedade Procariotos Eucariotos Domínios Bacteria e Archae Eukarya: algas, fungos, protozoários, plantas e animais Estrutura e função do núcleo Membrana nuclear ausente presente DNA Molécula única, sem histonas, plasmídeos freqüentes Presente em vários cromossomos, geralmente com histonas Divisão Sem meiose Meiose, aparelho meiótico com fuso microtubular Reprodução sexuada Processo fragmentário, sem meiose, apenas porções são montadas Processo regular, ocorrência de meiose, remontagem do genoma inteiro Estrutura e organização do citoplasma Membrana citoplasmática Geralmente sem esteróis Esteróis geralmente presentes Membranas internas Relativamente simples, restritas a poucos grupos Complexas, retículo endoplasmático, aparelho de Golgi Ribossomos 70 S 80 S, exceto para os ribossomos, mitocôndrias e cloroplastos (70S) Organelas membranosas Ausentes Várias Sistema respiratório Parte da membrana citoplasmática Nas mitocôndrias Pigmentos fotossintetizantes Na membrana interna de clorossomas, cloroplastos ausentes Em cloroplastos Parede celular Presente (maioria), composta de peptidoglicano, outros polissacarídeos, proteínas e glicoproteínas Presente em plantas, algas e fungos; ausente nos animais, na maioria dos protozoários; geralmente polissacarídica Formas de motilidade Movimento flagelar Flagelos de dimensões sub- microscópicas, cada um composto de uma fibra de dimensão molecular; rotação Flagelos ou cílios; dimensões microscópicas; compostos de microtúbulos; sem rotação Movimento não flagelar Deslizamento; ou através das vesículas de gás Correntes citoplasmáticas e movimento amebóide; deslizante Microtúbulos ausentes Comuns, presentes em flagelos, cílios, corpos basais, fuso mitótico, centríolos Tamanho Geralmente menores que 2 m de diâmetro Geralmente 2 a mais de 100 m de diâmetro

Célula procariótica x eucariótica Celula eucariótica Celula procariótica

Tamanho da célula procariótica Unidade de medida: m (micrômetro) 1 m = 0,001 mm (1/1000) ou 1000 m = 1 mm Tamanho variável: 0,15 m 50 m (0,0015 mm – 0,05 mm) Thiomargarita namibiensis:  750 m !! Escherichia coli: 1 x 3m 1 m

Tamanho da célula procariótica 1000 nm (1 μm) Célula eucariótica Célula procariótica vírus núcleo

ou 0,2 mm ou 0,0002 mm 0,00009 mm ou 0,00006 mm 0,0002 mm 0,00002 mm 0,0015 mm

Tamanho da célula procariótica O pequeno tamanho dos procariotos comparado ao dos eucariotos contribui para muitas características desses organismos:

Relação superfície/volume * Nutrientes e dejetos são transportados para dentro e fora da célula via membrana citoplasmática. * A velocidade desse transporte determina a velocidade metabólica e, portanto, a velocidade de crescimento das células * Quanto menor o tamanho, maior é a relação entre a área superficial da membrana em relação ao volume e, portanto, maior é o potencial de crescimento. Relação superfície/volume Madigan et al., 2010

2. Morfologia dos procariotos Forma da célula: “a forma segue a função” cocos bacilos vibriões espirilos espiroquetas filamentosas pedunculadas Arranjos

Morfologia dos procariotos Vibrião Cocos (Neisseria) Bacilos (Halobacterium/Salmonella) Vibrião (Bdellovibrio)

Morfologia dos procariotos Espirilo Espiroqueta (Leptospira) Pedunculada (Rhodomicrobium)

Morfologia dos procariotos Cianobactérias (Chondromyces) (Myxococcus) Mixobactérias

2. Morfologia dos procariotos Arranjos: agrupamentos de indivíduos após a divisão seguem um padrão uniforme significado para a identificação

Morfologia dos procariotos: arranjos Arranjos de cocos Arranjos de bacilos

Morfologia dos procariotos: arranjos Streptococcus Neisseria gonorrhoeae Staphylococcus Methanococcus Methanosarcina Deinococcus

3. Estrutura da célula procariótica 3.1. Parede celular Concentração de solutos dissolvidos alta pressão de turgor (E. coli  2 atm.) Para conter essa pressão parede celular Envoltório rígido, que é responsável pela forma da célula 3.1.1. Domínio Bacteria a) componente principal: peptideoglicano (> 100 tipos) * açúcares aminados: N-acetilglicosamina Ácido N-acetilmurâmico * aminoácidos (formas “D” e “L”): tetrapeptídeos

Estrutura da célula procariótica Tetrapeptídeo glicano Madigan et al., 2010

Estrutura da célula procariótica Y X peptídicas ligações glicosídicas Madigan et al., 2010

3. Estrutura da célula procariótica b) De acordo com suas respostas à coloração de Gram, as bactérias se dividem em 2 grupos: * Gram positivas: 90% da parede formados de peptideoglicano (até 20 camadas) 30-60 nm (1 nm = 10-6 mm) * Gram negativas: 10 % de peptideoglicano (1-2 camadas) 2-3 nm

3. Estrutura da célula procariótica

A coloração de Gram Gram positiva Gram negativa Fixação Cristal violeta Tratamento com lugol Álcool - acetona Corante de contraste safranina

3. Estrutura da célula procariótica c) ácidos teicóicos em Gram positivas * (grego theicos = parede) * poliálcoois contendo: - resíduos de ribitol fosfato ou glicerofosfato - açúcares e aminoácidos ligados (polissacarídeos ácidos) * presentes na maioria das bactérias Gram-positivas * conferem à célula sua carga negativa * atuam na ligação Ca2+ e Mg2+ envolvidos no transporte * lipoteicóicos = ligados a lipídeos de membrana

Estrutura da célula procariótica: Parede de Gram positivas Ácido teicóico Madigan et al., 2010

3. Estrutura da célula procariótica d) membrana externa de bactérias Gram negativas (camada LPS ou lipopolissacarídica), camada dupla, composta de: * fosfolipídeos * proteínas (porinas) * lipídeos (ác. graxos + dissacarídeo N-acetilglicosamina) * polissacarídeos * lipoproteínas (âncoras) Madigan et al., 2004

Estrutura da célula procariótica: Parede de Gram negativas Enzimas hidrolíticas, proteínas de ligação, quimiorreceptores Madigan et al., 2004

3. Estrutura da célula procariótica 3.1.2. Domínio Archaea * paredes de composição variável * sem peptideoglicano * algumas são Gram+, outras Gram- a) Metanogênicas * pseudopeptideoglicano * polissacarídeos (Methanosarcina) b) Halofílicas * Halococcus: polissacarídeo sulfatado * Halobacterium: glicoproteínas com cargas negativas c) Outras metanogênicas Methanococcus e Methanospirillum: proteínas d) Hipertermofílicas: proteínas ou glicoproteínas * Sulfolobus: glicoproteínas (paredes estáveis em detergente em ebulição!!) * Pyrodictium: glicoproteínas (113ºC)

Pseudopeptideoglicano em algumas Archaea metanogênicas PSEUDOMUREÍNA PEPTIDEOGLICANO aa estereoisômeros L N-acetilglicosamina N-acetilalosaminurônico Madigan et al., 2010

3. Estrutura da célula procariótica 3.1.2. Domínio Archaea * paredes de composição variável * sem peptidoglicano * algumas são Gram+, outras Gram- a) Metanogênicas * pseudopeptidoglicano * polissacarídeos (Methanosarcina) b) Halofílicas (afinidade por sal) * Halococcus: polissacarídeo sulfatado (SO42-) * Halobacterium: glicoproteínas com cargas negativas c) Outras metanogênicas Methanococcus e Methanospirillum: proteínas d) Hipertermofílicas: proteínas ou glicoproteínas * Sulfolobus: glicoproteínas (paredes estáveis em detergente em ebulição!!) * Pyrodictium: glicoproteínas (113ºC)

3. Estrutura da célula procariótica 3.2. Membrana plasmática * barreira física, vital para a células * espessura aproximada de 8 nm * composição química 3.2.1. Domínio Bacteria * bicamada composta de: * fosfolipídeos (glicerol + ácidos graxos + Pi) * proteínas transmembranares * hopanóides ( esteróis, resistência) em algumas espécies * menos rígida que em eucariotos 3.2.2. Domínio Archaea: composição variável * lipídeos: únicos na natureza (marcadores de diferenças evolucionárias) * ligações éter entre o glicerol e as cadeias hidrofóbicas hidrocarbonetos (isopreno) * podendo existir: - diéter lipídios - tetraéter lipídios - mista

3. Estrutura da célula procariótica

6-8 nm Madigan et al., 2010

3. Estrutura da célula procariótica 3.2. Membrana plasmática * barreira física, vital para a células * espessura aproximada de 8 nm * composição química 3.2.1. Domínio Bacteria * bicamada composta de: * fosfolipídeos (glicerol + ácidos graxos + Pi) * proteínas transmembranares * hopanóides ( esteróis, resistência) em algumas espécies * menos rígida que em eucariotos 3.2.2. Domínio Archaea: composição variável * lipídeos: únicos na natureza (marcadores de diferenças evolucionárias) * ligações éter entre o glicerol e as cadeias hidrofóbicas hidrocarbonetos (isopreno) * podendo existir: - diéter lipídios - tetraéter lipídios - mista

Hopanoide C30 (a) Estrutura geral de um esterol. (b) estrutura do colesterol (c) estrutura de um hopanóide: diplopteno Madigan et al., 2010

3. Estrutura da célula procariótica 3.2. Membrana plasmática * barreira física, vital para a células * espessura aproximada de 8 nm * composição química 3.2.1. Domínio Bacteria * bicamada composta de: * fosfolipídeos (glicerol + ácidos graxos + Pi) * proteínas transmembranares * hopanóides ( esteróis, resistência) em algumas espécies * menos rígida que em eucariotos 3.2.2. Domínio Archaea: composição variável * lipídeos: únicos na natureza (marcadores de diferenças evolucionárias) * ligações éter entre o glicerol e as cadeias hidrofóbicas hidrocarbonetos (isopreno) * podendo existir: - diéter lipídios - tetraéter lipídios - mista

Comparação entre os lipídeos de Archaea e Bacteria ligações éster ligações éter isopreno Madigan et al., 2004

Comparação entre os lipídeos de Archaea e Bacteria Madigan et al., 2004

3. Estrutura da célula procariótica 3.2.3. Funções da membrana a) permeabilidade * permeável à água e a substâncias de baixo PM solúveis em gorduras (ácidos graxos, álcool, benzeno) * não permeável a moléculas com cargas: aminoácidos, ácidos orgânicos, sais, H+ ( H3O+) b) transporte * importância para os procariotos * proteínas de transporte * contra um gradiente de concentração * alta especificidade c) produção de energia: sítio de geração e utilização da força próton motiva

3. Estrutura da célula procariótica 3.2.3. Funções da membrana a) permeabilidade * permeável à água e a substâncias de baixo PM solúveis em gorduras (ácidos graxos, álcool, benzeno) * não permeável a moléculas com cargas: aminoácidos, ácidos orgânicos, sais, H+ ( H3O+) b) transporte * importância para os procariotos * proteínas de transporte * contra um gradiente de concentração * alta especificidade c) produção de energia: sítio de geração e utilização da força próton motiva

Tipos de transportadores Madigan et al., 2004

3. Estrutura da célula procariótica 3.2.3. Funções da membrana a) permeabilidade * permeável à água e a substâncias de baixo PM solúveis em gorduras (ácidos graxos, álcool, benzeno) * não permeável a moléculas com cargas: aminoácidos, ácidos orgânicos, sais, H+ ( H3O+) b) transporte * importância para os procariotos * proteínas de transporte * contra um gradiente de concentração * alta especificidade c) produção de energia: sítio de geração e utilização da força próton motiva

A membrana citoplasmática em procariotos Madigan et al., 2010

3. Estrutura da célula procariótica 3.3. Material genético em procariotos * molécula única de DNA circular, nua, intensamente dobrada, podendo expandir-se até 1 mm (bactéria típica mede poucos m) * não associado com histonas (mas proteínas semelhantes a histonas podem estar presentes em algumas espécies) * tamanho do genoma variável: E. coli: 4,7 Mb Hemophilus influenzae: 1,83 Mb Mycoplasma genitalium: 0,58 Mb * bactérias em crescimento ativo podem conter várias cópias * haplóides: facilidade de adaptação

3. Estrutura da célula procariótica

3. Estrutura da célula procariótica 3.3. Material genético em procariotos * molécula única de DNA circular, nua, intensamente dobrada, podendo expandir-se até 1 mm (bactéria típica mede poucos m) * não associado com histonas (mas proteínas semelhantes a histonas podem estar presentes em algumas espécies) * tamanho do genoma variável: E. coli: 4,7 Mb (1,000,000 de bases) Haemophilus influenzae (meningites): 1,83 Mb Mycoplasma genitalium (trato genital/respiratório): 0,58 Mb * bactérias em crescimento ativo podem conter várias cópias * haplóides: facilidade de adaptação Célula humana: contém 1000 vezes mais DNA e sete vezes mais genes, com muitas regiões não codificadoras (junk DNA)

3. Estrutura da célula procariótica 3.4. Ribossomos * 70 S * Subunidades: 50S + 30S * até 10.000 por célula 50 S 30 S Bacterias e Archaeas têm ribossomos semelhantes (70S), mas diferentes na composição proteica

3. Estrutura da célula procariótica 3.5. Flagelos * apêndices longos e finos * helicoidais * 20 nm de diâmetro * distribuídos em número variável: A = monotríquio (polar) B = lofotríquio C = anfitríquio (polar) D = peritríquio C A D B

3. Estrutura da célula procariótica 3.5. Flagelos * proteína: flagelina, com subunidades dispostas helicoidalmente * estrutura: - corpo basal - gancho - filamento * movimento: rotação (até 200 rps  12.000 rpm) * velocidade: 20-80m.s-1, média de 50 m.s-1, ou 10 corpos.s-1 * energia para movimento: força próton motiva

Estrutura do flagelo em procariotos Madigan et al., 2010 Anel C

Movimento dos flagelos em procariotos Madigan et al., 2010

3. Estrutura da célula procariótica * quimiotaxia: controle do movimento - repelentes - atraentes * mecanismo: proteínas que sentem a presença de substâncias - resposta à concentração

Outras formas de motilidade em procariotos Movimento deslizante Membrana externa Membrana citoplasmática Madigan et al., 2004

3. Estrutura da célula procariótica 3.6. Pili e fímbrias * fímbrias: adesão (várias unidades. célula-1) * pili: mais longos (geralmente 1 unidade. célula-1) - Conjugação bacteriana - adesão em bactérias patogênicas * composição: proteínas Flagelo Fímbrias

3. Estrutura da célula procariótica 3.7. Cápsula e camada limosa (glicocálix) * composição: glicoproteínas e/ou polissacarídeos * função: - adesão - proteção contra dessecamento, fagocitose

3. Estrutura da célula procariótica 3.8. Inclusões citoplasmáticas * reserva de energia e de blocos estruturais * poli--hidroxibutirato (PHB) e outros * glicogênio (carbono e energia) * polifosfatos (grânulos metacromáticos) * enxofre * magnetossomos (magnetita: Fe3O4)

3. Estrutura da célula procariótica 3.9. Vesículas de gás * procariotos aquáticos fotossintetizantes: ex. Cianobactérias * forma de fuso: 200-700 nm x 60-110 nm * poucos ou até centenas por célula * membrana composta de proteínas * 5-20% da densidade da célula * 1 atm de pressão interna Madigan et al., 2004

3. Estrutura da célula procariótica 3.10. Endósporos: estruturas de resistência * encontrados em algumas Gram positivas: - Bacillus - Clostridium - Sporosarcina - Sporolactobacillus * resistentes ao calor, radiações, ácidos, produtos químicos, lisozima * partes do endósporo - exosporium (proteína) - capa (proteína) - córtex (peptidoglicano) - porção central (core): parede celular, membrana, nucleóide... * ocorrência de ácido dipicolínico + Ca2+

Endósporos de procariotos Madigan et al., 2004

3. Estrutura da célula procariótica 3.10. Endósporos: estruturas de resistência * encontrados em algumas Gram positivas: - Bacillus - Clostridium - Sporosarcina - Sporolactobacillus * resistentes ao calor, radiações, ácidos, produtos químicos, lisozima * partes do endósporo - exosporium (proteína) - capa (proteína) - córtex (peptidoglicano) - porção central (core): parede celular, membrana, nucleóide...

Endósporos de procariotos