Introdução à Bacteriologia Morfologia e citologia bacteriana Fisiologia e reprodução Patogênese e relação bactéria-hospedeiro Prof. Vânia Lúcia da Silva
Professores: Vânia (Coordenadora), Betânia, Rosângela, Alessandra Universidade Federal de Juiz de Fora Instituto de Ciências Biológicas Departamento de Parasitologia, Microbiologia e Imunologia Disciplina – BIOLOGIA DE MICRORGANISMOS - Ciências Biológicas/ Química Professores: Vânia (Coordenadora), Betânia, Rosângela, Alessandra PROGRAMAÇÃO – 2º SEMESTRE DE 2015 Dia Hora Local Assunto Professor 29/10 – 5ª feira 14 às 16 Sala 5A Introdução à microbiologia Morfologia e citologia bacteriana Vânia 16 às 18 Fisiologia, nutrição e crescimento bacteriano Alessandra 05/11 – 5ª feira Controle da População Microbiana Genética Bacteriana 12/11 – 5ª feira Semana da Biologia ---- 19/11 – 5ª feira Biofilmes e aspectos ecológicos da relação bactéria-hospedeiro Bases ecológicas da resistência bacteriana às drogas 26/11 – 5ª feira 1º TVC Propriedades gerais, estrutura e classificação dos vírus Betânia 03/12 – 5ª feira Replicação viral Relação vírus hospedeiro 10/12 – 5ª feira Técnicas laboratoriais de estudo dos vírus I Técnicas laboratoriais de estudo dos vírus II 17/12 – 5ª feira Vírus como ferramenta biotecnológica e vacinas Evolução de vírus 07/01 – 5ª feira 2º TVC 14/01 – 5ª feira Morfologia e Citologia dos fungos Rosângela 21/01 – 5ª feira Fisiologia dos fungos 28/01 – 5ª feira Reprodução e Classificação dos fungos 04/02 – 5ª feira Drogas antifúngicas 18/02 – 5ª feira Seminário Gastronômico Todos professores 25/02 – 5ª feira 3º TVC 14/03 – 5ª feira ANF B 2a CHAMADA GERAL A definir Aproveitamento mínimo: 60% - 1º TVC: 30 pts; 2º TVC: 30 pts; 3º TVC: 30 pts; Seminário gastronômico 10 pts. Freqüência mínima: 75%. Bibliografia: TRABULSI, L.R. Microbiologia, 5ª Ed., Atheneu, 2008. JAWETZ, E.; MELNICK, J.L. & ADELBERG, E. Microbiologia Médica. 22ª Ed. McGraw-Hill Interamericana do Brasil, 2001. MURRAY, PATRICK R.; PFALLER, MICHAEL A.; ROSENTHAL, KEN S. Microbiologia Médica. 5 ed. Ed. Elsevier, 2006. TORTORA, G.J.; FUNKE, B.R. & CASE, C.L. Microbiologia, 6ª edição, Editora Artmed, Porto Alegre, 2003. PELCZAR, M.J.; CHAN, E.C.S.; KRIEG, N.R. Microbiologia – Conceitos e Aplicações. Volumes 1 e 2. Ed. Makron Books, 1996. SANTOS, ROMANOS & WIGG. Introdução à virologia humana, Ed.Guanabara-Koogan, 2002.
ASPECTOS HISTÓRICOS DA MICROBIOLOGIA A primeira pessoa a relatar a observação de estruturas com um microscópio foi o inglês Robert Hooke em 1665 - microscópio rudimentar - estruturas celulares de plantas e fungos. Início da teoria celular. Apesar disso, pode-se dizer que a Microbiologia teve seu início com as observações feitas por Antonie van Leewenhoek - lentes que atingiam a resolução de 300 a 500 vezes, permitiram-lhe a descoberta de um mundo desconhecido ao permitir a observação de algas, protozoários, leveduras e bactérias maiores. 1673 – publicação da primeira representação de uma bactéria. Leeuwenhoek surpreendeu o mundo científico declarando que os microrganismos que observava eram vivos por apresentarem movimento ativo e intenso. 1680 - Leeuwenhoek observou que o fermento consistia de partículas globulares diminutas, as leveduras, e ainda descobriu e descreveu o parasita intestinal Giardia lamblia que isolou de suas próprias fezes em um episódio de diarréia.
O progresso da Microbiologia ficou vinculado ao desenvolvimento de instrumentos e técnicas pertinentes ao seu estudo, tais como microscópios com maior poder de resolução e técnicas de cultivo e coloração de estruturas celulares. A Microbiologia como Ciência começa a ter um verdadeiro avanço a partir de meados do século XIX, com o desenvolvimento de microscópios de alta qualidade juntamente com o aperfeiçoamento de técnicas de esterilização, cultivo de microrganismos e técnicas citológicas.
Nessa época, o químico francês Louis Pasteur e o médico alemão Robert Koch desenvolveram estudos que estabeleceram as bases da Microbiologia como ciência experimental estruturada e especializada. A Microbiologia deixa de ser uma ciência meramente descritiva para centrar-se no estudo da complexidade estrutural, fisiológica, genética e ecológica dos microrganismos, bem como das inúmeras atividades por eles desempenhadas. Estes avanços determinaram o desdobramento da Microbiologia em disciplinas especializadas, como a Bacteriologia, a Micologia, a Parasitologia, a Virologia e a Imunologia
Em 1857 – Pasteurização Pasteur descobriu microrganismos que contaminavam e deterioravam o vinho destinado às tripulações dos navios da Marinha francesa, tornando-o impróprio para consumo. Deduziu que, se o vinho fosse aquecido até uma temperatura que não afetasse seu sabor e que, ao mesmo tempo, matasse os microrganismos contaminantes, este não mais se deterioraria. Pasteur também descobriu que as leveduras presentes no vinho eram as responsáveis pela produção do conteúdo alcoólico da bebida. A descoberta permitiu que a indústria monitorasse a qualidade do vinho controlando as leveduras que fermentavam o suco de uvas. Ao investigar a cólera aviária, Pasteur inoculou galinhas com uma cultura velha do patógeno e as aves não morreram - as bactérias da cultura velha não eram mais patogênicas. Posteriormente inoculou as mesmas galinhas com doses letais de uma cultura fresca do patógeno e, novamente, as aves não morreram. As culturas velhas tinham imunizado as galinhas e as bactérias mantidas sob condições adversas perderam a capacidade de causar doença mas retinham a capacidade de imunizar um hospedeiro. Produção de vacinas contra doenças como o carbúnculo e a raiva.
No final da década de 1870, Koch interessou-se pelo carbúnculo No final da década de 1870, Koch interessou-se pelo carbúnculo. Analisando sangue de vítimas do carbúnculo ao microscópio, observou a presença de uma bactéria de grandes dimensões. Desenvolvendo técnicas microbiológicas, Koch conseguiu isolar a bactéria. Animais sadios inoculados com a bactéria purificada apresentavam os sintomas clássicos do carbúnculo. A partir do sangue destes animais, Koch re-isolou mesma bactéria. Ele repetiu o experimento, sempre re-isolando a bactéria dos animais experimentalmente infectados até que tivesse certeza que tinha encontrado o agente da doença. Koch também descobriu os agentes etiológicos da cólera e da tuberculose, as bactérias Vibrio cholerae e Mycobacterium tuberculosis, respectivamente. A bactéria M. tuberculosis é ainda hoje denominada bacilo de Koch. Seus estudos, combinados com os de Pasteur, estabeleceram a Teoria do Germe da Doença.
Em 1877, Koch formulou um conjunto de postulados os quais afirmava deveriam ser adotados para que se aceitasse uma relação entre um microrganismo em particular e uma doença. Postulados de Koch: O mesmo patógeno deve estar presente em todos os casos da doença; O patógeno deve ser isolado do hospedeiro doente e crescer em cultura pura; O patógeno deve causar a doença quando inoculado em animal saudável; O patógeno deve ser isolado do animal inoculado e deve ser o organismo original.
Ignaz Philipp Semmelweis - médico húngaro eternizado como "salvador das mães“ – Hospital Geral de Viena 1847: redução na incidência de febre puerperal pela prática da anti-sepsia das mãos. Os médicos matavam 3x mais que as parteiras naquela região.
Florence Nightingale – 1854 - Guerra da Crimeia (Conflito nos Bálcãs envolvendo o Império Russo e, uma coligação integrada pelo UK, França, Itália, Império Turco-Otomano e o Império Austríaco) Alta mortalidade entre os soldados Britânicos. Associação entre higiene e diminuição da mortalidade – sanitarismo
Indústria de alimentos Agricultura Agentes causadores de doenças Meio ambiente Biotecnologia Energia Indústria química Microrganismos Indústria de alimentos Agricultura Indústria farmacêutica Recuperação ambiental biorremediação
Procariontes Bactéria Arqueia Ausência de compartimentos dentro da célula - metabólitos dispersos no citoplasma Ausência de núcleo verdadeiro - cromossomo bacteriano disperso no citoplasma Essenciais na biosfera, como componentes indispensáveis dos ecossistemas, e que torna possível o funcionamento da vida Bactéria Arqueia
(Flavobacter)
Diferentemente dos animais e plantas, os procariotos são unidades autônomas de matéria viva, capazes de crescer e interagir com o ambiente com grande versatilidade genética. Os procariotos são ubíquos e coexistem entre si e com outros seres vivos nos ambientes aquáticos e terrestres; Crescimento em ambientes extremos e complexos: ambientes glaciais, fontes termais, Crateras vulcânicas e fendas rochosas profundas; grandes profundidades em oceanos, condições de extrema salinidade Superfícies externas e internas do corpo humano e de outros animais
Bactérias de importância em saúde humana Caracterizadas morfologicamente pelo seu tamanho, forma e arranjo - Cocos (formas esféricas): grupo homogêneo em relação a tamanho Tétrades: agrupamentos de quatro cocos Sarcinas: agrupamento de oito cocos em forma cúbica. Ex.: Sarcina Diplococos: cocos agrupados aos pares. Ex.: Neisseria (meningococo) Estreptococos: cocos agrupados em cadeias. Ex.: Streptococcus Estafilococos: cocos em grupos irregulares, lembrando cachos de uvas. Ex.: Staphylococcus
- Bacilos ou bastonetes: cilíndricos, forma de bastão, podendo ser longos ou delgados, pequenos e grossos, extremidade reta, afilada, convexa ou arredondada. Diplobacilos: bastonetes agrupados aos pares. Estreptobacilos: bastonetes agrupados em cadeias. Paliçada: bastonetes agrupados lado a lado como palitos de fósforos.
Formas helicoidais ou espiraladas: células de forma espiral. Helicobacter pylori Espirilos: possuem corpo rígido e se movem às custas de flagelos externos, dando uma ou mais voltas espirais em torno do próprio eixo. Espiroquetas: são flexíveis e locomovem-se provavelmente às custas de contrações do citoplasma, podendo das várias voltas completas em torno do próprio eixo. Ex.: Gênero Treponema
- Formas de transição Bacilos muito curtos: cocobacilos. Ex.: Prevotella Espirilos muito curtos, assumindo formas de vírgula: vibriões. Ex.: Vibrio cholerae
A CÉLULA BACTERIANA A observação interna das estruturas celulares dá-nos uma idéia de como a bactéria funciona no ambiente. A figura a seguir representa as diversas estruturas bacterianas:
ESTRUTURAS CELULARES EXTERNAS Flagelos Estruturas especiais de locomoção, constituídas de proteína, que formam longos filamentos que partem do corpo da bactéria e se estendem externamente à parede celular.
Fímbrias Estruturas filamentosas mais curtas e delicadas que os flagelos, semelhantes a pêlos, que se originam da membrana plasmática, e são usados para fixação, e não para motilidade. Estão relacionadas com a aderência às superfícies mucosas (fímbrias comuns) e com a transferencia de material genético durante a conjugação bacteriana (fímbrias ou pili sexual).
Cápsula Camada que circunda a célula bacteriana externamente a parede celular, de consistência viscosa e de natureza polissacarídica (polissacarídeo extracelular) ou polipeptídica. Funções: proteção da célula bacteriana contra desidratação, permitir a fixação da bactéria em várias superfícies, evitar a adsorção de bacteriófagos na célula bacteriana. Relacionada à virulência da bactéria, pois confere resistência à fagocitose pelas células de defesa do corpo – em uma mesma espécie, amostras encapsuladas são mais virulentas que as não-encapsuladas - AUMENTA A CHANCE DE INFECÇÃO.
Bactéria Parede celular típica atípica Bactérias sem parede celular Estrutura rígida que pode recobrir ou não a membrana citoplasmática e ajuda na manutenção da forma das células, além de proteção, mantendo a pressão osmótica intrabacteriana e prevenindo expansão e eventual rompimento da célula. Bactéria Parede celular típica atípica Bactérias sem parede celular Gram + Gram - Micoplasmas Ureaplasmas Micobactérias Espiralados Clamidias Riquétsias Maioria das bactérias de importância médica
Com a presença de ceras e carboidratos Parede Celular Composição: peptidioglicano (mucopeptídeo ou mureína) – estrutura rígida da parede: N-acetilglicosamina (NAG) - ácido N-acetilmurâmico (NAM) - tetrapeptídeo (4 aminoácidos) => típica Bactérias de parede celular atípica podem apresentar estruturas dos tipos: Com a presença de ceras e carboidratos Com camada de petídeoglicano muito delgada ou ausência de algum componente do peptideoglicano Com a presença de bainha de carboidratos complexos (glicosaminaglicana)
A porção lipídica do LPS é também chamada de ENDOTOXINA. Lipopolissacarídeo – LPS - das bactérias Gram negativas 3 segmentos ligados covalentemente: lipídio A, cerne do polissacarídeo e antígenos O. A porção lipídica do LPS é também chamada de ENDOTOXINA. O LPS tem um papel protetor (bactérias entéricas), mas também podem atuar como veneno, causando febre, diarréia, destruição de hemácias e um choque potencialmente fatal.
Membrana Citoplasmática Desempenha importante papel na permeabilidade seletiva da célula – funciona como barreira osmótica. Difere da membrana citoplasmática dos eucariotos por: não apresentar esteróis em sua composição; ser sede de numerosas enzimas do metabolismo respiratório; controlar a divisão bacteriana através do mesossomo. Mesossomos Invaginações da membrana citoplasmática (dobras). Podem estar ligados próximos à membrana ou aprofundar-se no citoplasma. Os mesossomos profundos e centrais parecem estar ligados ao material nuclear da célula estando envolvidos na replicação de DNA e na divisão celular. Papel na respiração bacteriana
ESTRUTURAS CELULARES INTERNAS Área citoplasmática Citoplasma: 80 % de água, ácidos nucléicos, proteínas, carboidratos, compostos de baixo peso molecular, lipídios, íons inorgânicos. Sítio de reações químicas. Ribossomos: ligados a uma molécula de mRNA, são chamados de poliribossomos. Presentes em grande número nas células bacterianas. Grânulos de reserva (inclusões): os procariotos podem acumular no citoplasma substâncias sob a forma de grânulos, constituídos de polímeros insolúveis (ex.: grânulos de glicogênio, amido, lipídios, polifosfato, enxofre e óxido de ferro) .
Área nuclear Nucleóide: cromossomo bacteriano, constituído por uma única molécula dupla fita circular de DNA não delimitado por membrana nuclear e sem a presença de histonas. Contém as informações necessárias à sobrevivência da célula, capaz de replicação. Moléculas de DNA extracromossomal: plasmídios, transposons e integrons Moléculas menores de DNA, cujos genes não codificam características essenciais, mas podem conferir vantagens seletivas para as bactérias que os possuem (ex.: genes de resistência a antibióticos, virulência, resistência a metais tóxicos). Envolvidos nos processos de recombinação genética bacteriana.
Esporos Também chamados de endósporos (porque se formam dentro da célula). Esporos contém pouca água no citoplasma, possuem parede celular muito espessa, são altamente resistentes a agentes físicos e químicos, devido a sua capa impermeável de proteína tipo queratina (associado ao cálcio) e presença de ácido dipicolínico. Função: proteção da célula vegetativa das adversidades do meio ambiente (limitação de nutrientes, temperatura, e dessecação). Sua formação leva em torno de 6 horas. Têm pouca atividade metabólica, pode permanecer latente por longos períodos - forma de sobrevivência, e não de reprodução. Ex. Bacillus e Clostridium.