Fatores determinantes ambientais Tipos de fatores: abióticos e bióticos

Fatores determinantes ambientais Abióticos 1.Crescimento Lei do Mínimo de Liebig - nutrientes Lei da Tolerância de Shelford - fatores físico-químicos 2.Sobrevivência

Leis Mínimo de Liebig Tolerância de Shelford Para um microrganismo se estabelecer em um ecossistema cada um dos parâmetros abióticos deve permanecer dentro da faixa de tolerância. Mínimo de Liebig A massa total de um microrganismo em um ecossistema é determinada pelo nutriente presente na concentração mínima.

Eugene P. Odum (1971) Biólogo americano pioneiro nos trabalhos sobre a ecologia e na disseminação da consciência social sobre os ecossistemas. O sucesso de um organismo num ecossistema depende de nutrientes e de sua tolerância aos fatores ambientais.

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

Atividade enzimática/ Velocidade crescimento a. Temperatura e crescimento Em geral, quando a temperatura aumenta a velocidade das reações enzimáticas também aumenta. Atividade enzimática/ Velocidade crescimento Temperatura

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.

Velocidade de crescimento b.Temperaturas cardinais temperatura mínima, ótima e máxima Velocidade de crescimento Tmax é próxima de To Temperatura

Temperaturas cardinais Escherichia coli Acima crescimento não ocorre Temperatura máxima ......... 50 oC Temperatura mínima .......... 10 oC Temperatura ótima.............. 30 oC Abaixo crescimento não ocorre Crescimento ocorre maior velocidade Cada espécie apresenta um curva com formato semelhante, somente com valores cardinais diferentes

ESTABILIDADE DAS PROTEÍNAS 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

Célula morre por carência nutricional Limite inferior Enzimas alostéricas tornam-se menos sensíveis Defeitos de estruturação (principalmente ribossomos) Sintese protéica Célula morre por carência nutricional

Classes de temperaturas de crescimento considerando as temperaturas cardinais 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.

Temperatura de crescimento 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: o cultivo de microrganismos, que está relacionado com a produção de inúmeros biomateriais. análise da termoestabilidade de proteínas.. obter informações da fisiologia e ecologia dos microrganismos obter propriedades filogenéticas.

Velocidade de crescimento c. Classificação dos microrganismos com base na temperatura ótima para crescimento Velocidade de crescimento Temperatura (°C) 0 15 30 45 60 75 90 105 Exemplos Psicrófilos <15 °C 4° Mesófilos 20 - 50°C 39° Termófilos 50 - 80°C 60° Hipertermófilos 80 - 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.

Região Ártico e Antártida Psicrófilos ~ 5 °C Ambientes refrigerados. Psicrótrofos < 7 °C

Associada a alimentos congelados pode causar até meningite Psicrófila facultativa

Adaptações a temperaturas baixas • Enzimas com máxima atividade ocorrendo em baixas temperaturas • Membranas com mais ácidos graxos insaturados que aumentam a fluidez Ácidos graxos poli-insaturados se inclinam deixando aberturas = + 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.

Mesófila Bactéria associada a úlceras gástricas e câncer de estômago 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) Mínima: 45 °C Ótima: 55-65 °C Temperaturas cardinais Maioria dos procariotos e alguns eucariotos 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. Adaptações:

Adaptação a altas temperaturas 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. 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 Insaturados Fluidez Temperaturas elevadas 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.

Bactérias Grupos de microrganismos termofílicos e termotolerantes Fungos Actinomicetos

Clorofila/carotenóides Yellowstone Park criado pelo Congresso Americano como um parque nacional em 1872. Clorofila/carotenóides (microbianos) Thermus aquaticus

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.

Compostagem

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.

DNA ? 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) Poluentes Hemicelulases e xilanases de hipertermófilos. Thermotoga maritima

Exemplo de procariotos hipertermófilos Fisiologicamente os Pyrodictium são anaeróbios estritos que crescem quimiolitotroficamente oxidando H2, usando o So como aceptor de elétrons ou quimiorganotroficamente, sobre complexas misturas orgânicas. Os Sulfolobus são quimiolitotróficos aeróbicos, que oxidam H2S ou So para H2SO4 e fixam CO2 como fonte de carbono..

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