Metabolismo da Vida Microscópica

Biologia

Metabolismo da Vida Microscópica

Magnólia Fernandes Florêncio de Araújo Maria Celeste Melo NunesRenata de Fátima Panosso

Natal – RN, 2012

Biologia

Magnólia Fernandes Florêncio de Araújo Maria Celeste Melo NunesRenata de Fátima Panosso


2ª Edição

COORDENAÇÃO DE PRODUÇÃO DE MATERIAIS DIDÁTICOSMarcos Aurélio Felipe

GESTÃO DE PRODUÇÃO DE MATERIAISLuciana Melo de LacerdaRosilene Alves de Paiva

PROJETO GRÁFICOIvana Lima

REVISÃO DE MATERIAISRevisão de Estrutura e LinguagemEugenio Tavares BorgesJanio Gustavo BarbosaJeremias Alves de AraújoJosé Correia Torres NetoKaline Sampaio de AraújoLuciane Almeida Mascarenhas de AndradeThalyta Mabel Nobre Barbosa

Revisão de Língua PortuguesaCamila Maria GomesCristinara Ferreira dos SantosEmanuelle Pereira de Lima DinizJanaina Tomaz CapistranoPriscila Xavier de MacedoRhena Raize Peixoto de Lima

Revisão das Normas da ABNTVerônica Pinheiro da Silva

EDITORAÇÃO DE MATERIAISCriação e edição de imagensAdauto HarleyAnderson Gomes do NascimentoCarolina Costa de OliveiraDickson de Oliveira TavaresHeinkel HugeninLeonardo dos Santos FeitozaRoberto Luiz Batista de LimaRommel Figueiredo

DiagramaçãoAna Paula ResendeCarolina Aires MayerDavi Jose di Giacomo KoshiyamaElizabeth da Silva FerreiraIvana LimaJosé Antonio Bezerra JuniorRafael Marques Garcia

Módulo matemáticoJoacy Guilherme de A. F. Filho

IMAGENS UTILIZADASAcervo da UFRNwww.depositphotos.comwww.morguefi le.comwww.sxc.huEncyclopædia Britannica, Inc.

FICHA TÉCNICA

Catalogação da publicação na fonte. Bibliotecária Verônica Pinheiro da Silva.

Governo FederalPresidenta da RepúblicaDilma Vana Rousseff

Vice-Presidente da RepúblicaMichel Miguel Elias Temer Lulia

Ministro da EducaçãoAloizio Mercadante Oliva

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRNReitoraÂngela Maria Paiva Cruz

Vice-ReitoraMaria de Fátima Freire Melo Ximenes

Secretaria de Educação a Distância (SEDIS)

Secretária de Educação a DistânciaMaria Carmem Freire Diógenes Rêgo

Secretária Adjunta de Educação a DistânciaEugênia Maria Dantas

© Copyright 2005. Todos os direitos reservados a Editora da Universidade Federal do Rio Grande do Norte – EDUFRN.Nenhuma parte deste material pode ser utilizada ou reproduzida sem a autorização expressa do Ministério da Educacão – MEC

Sumário

Apresentação Institucional 5

Aula 1 Comparando células procarióticas e células eucarióticas 7

Aula 2 Trabalhando no laboratório de Microbiologia 27

Aula 3 “Vendo” o invisível 49

Aula 4 Nutrição e crescimento microbiano 73

Aula 5 Obtenção de energia para a vida microbiana 91

Aula 6 Controlando os microrganismos 119

Aula 7 A genética dos microrganismos 141

Aula 8 As bactérias se modifi cam 159

Aula 9 A diversidade dos microrganismos 181

Aula 10 Os microrganismos auxiliam a (re)circulação da matéria no planeta 199

Aula 11 Como os microrganismos se relacionam 229

Aula 12 Os microrganismos podem ser nossos aliados! 253

Apresentação Institucional

A Secretaria de Educação a Distância – SEDIS da Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, desde 2005, vem atuando como fomentadora, no âmbito local, das Políticas Nacionais de Educação a Distância em parceira com a Secretaria de Educação

a Distância – SEED, o Ministério da Educação – MEC e a Universidade Aberta do Brasil – UAB/CAPES. Duas linhas de atuação têm caracterizado o esforço em EaD desta instituição: a primeira está voltada para a Formação Continuada de Professores do Ensino Básico, sendo implementados cursos de licenciatura e pós-graduação lato e stricto sensu; a segunda volta-se para a Formação de Gestores Públicos, através da oferta de bacharelados e especializações em Administração Pública e Administração Pública Municipal.

Para dar suporte à oferta dos cursos de EaD, a Sedis tem disponibilizado um conjunto de meios didáticos e pedagógicos, dentre os quais se destacam os materiais impressos que são elaborados por disciplinas, utilizando linguagem e projeto gráfi co para atender às necessidades de um aluno que aprende a distância. O conteúdo é elaborado por profi ssionais qualifi cados e que têm experiência relevante na área, com o apoio de uma equipe multidisciplinar. O material impresso é a referência primária para o aluno, sendo indicadas outras mídias, como videoaulas, livros, textos, fi lmes, videoconferências, materiais digitais e interativos e webconferências, que possibilitam ampliar os conteúdos e a interação entre os sujeitos do processo de aprendizagem.

Assim, a UFRN através da SEDIS se integra o grupo de instituições que assumiram o desafi o de contribuir com a formação desse “capital” humano e incorporou a EaD como modalidade capaz de superar as barreiras espaciais e políticas que tornaram cada vez mais seleto o acesso à graduação e à pós-graduação no Brasil. No Rio Grande do Norte, a UFRN está presente em polos presenciais de apoio localizados nas mais diferentes regiões, ofertando cursos de graduação, aperfeiçoamento, especialização e mestrado, interiorizando e tornando o Ensino Superior uma realidade que contribui para diminuir as diferenças regionais e o conhecimento uma possibilidade concreta para o desenvolvimento local.

Nesse sentido, este material que você recebe é resultado de um investimento intelectual e econômico assumido por diversas instituições que se comprometeram com a Educação e com a reversão da seletividade do espaço quanto ao acesso e ao consumo do saber E REFLETE O COMPROMISSO DA SEDIS/UFRN COM A EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA como modalidade estratégica para a melhoria dos indicadores educacionais no RN e no Brasil.

SECRETARIA DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA SEDIS/UFRN

5

Comparando células procarióticas e células eucarióticas

1Aula

1

2

Aula 1 Metabolismo da Vida Microscópica 9

Apresentação

Uma vez que você já aprendeu sobre a diversidade dos organismos vivos que habitam a terra na disciplina de Biodiversidade (vegetais, animais, protozoários, algas, fungos e bactérias), vamos então aprofundar nosso conhecimento a respeito de um desses

organismos, ou melhor, microrganismos que são as bactérias. O mundo microbiano é constituído de bactérias, fungos, protozoários e algumas algas, mas as bactérias especifi camente possuem uma relação muito íntima conosco, pois elas estão dentro de nós, sobre nós e em toda parte ao nosso redor. Você sabia que nosso corpo possui mais células bacterianas que as nossas próprias células?

ObjetivosIdentificar e comparar as células procarióticas e eucarióticas.

Reconhecer a estrutura de uma célula procariótica.

Aula 1 Metabolismo da Vida Microscópica10

A vida pode ser divididaem dois grandes grupos

Graças ao microscópio eletrônico, foi possível classifi car todas as células vivas em dois grupos: procarioto e eucarioto. Essa ferramenta de estudo permitiu a observação de diferenças marcantes nas estruturas internas das células. O termo procarioto é

proveniente das palavras gregas pro (antes) e karyon (núcleo), e o termo eucarioto das palavras eu (verdadeiro) e karyon (núcleo), ou seja, as células eucarióticas possuem uma região interna chamada de núcleo e as procarióticas não possuem esta estrutura. Assim, as bactérias e as arquibactérias (bactérias primitivas) são seres unicelulares e procarióticos, e todos os outros organismos vivos como vegetais, animais e ainda os protozoários, fungos e algas são eucarióticos – revise as Aulas 7 (Protistas I: Microrganismos produtores), 9 (Fungos: seres especiais), 10 (Biologia das plantas) e 13 (Diversidade animal I) da disciplina Biodiversidade.

O microscópio eletrônico foi desenvolvido em 1932 e permitiu visualizar detalhes internos das células.

Atividade 1


Observe as fi guras abaixo representativas de duas células.

Você percebe diferença entre as duas? Indique que tipo de diferenças você pode observar.


Como você deve ter observado, o interior de uma das células é diferente da outra. A célula eucariótica possui muitas estruturas no seu interior, enquanto a outra (procariótica) não. Pois é, as células procarióticas e eucarióticas são similares na sua constituição química, pois ambas são constituídas por carboidratos, lipídios, proteínas e ácidos nucleicos; porém, são diferentes em algumas estruturas. Veja um resumo dessas diferenças na tabela abaixo.

Tabela 1 – Principais características que diferenciam as células procarióticas e eucarióticas

Características Células procarióticas Células eucarióticas

Membrana plasmática Lipídios e proteínas sem esteróis Lipídios e proteínas com esteróis

Material genético (DNA) Um único cromossomacircular dentro do citoplasma

Vários cromossomas lineares (o número depende da espécie). Por exemplo, a espécie humana tem 46 cromossomos.

Núcleo Ausente Presente

Organelas (ex.: retículo endoplasmático, aparelho de Golgi, mitocôndria etc.)

Ausente Presente

Ribossomos Presente (70S) Presente (80S)

Parede celular Presente (exceto as bactérias chamadas Mycoplasmas) Presente em vegetais e fúngicas

Reprodução Assexuada por divisão binária Sexuada e assexuada

A espécie humana possui 46 cromossomos.

Esterol

um tipo de lipídio.

S

é uma unidade usada para medir a velocidade

de sedimentação dos ribossomos durante a centrifugação (a letra S é em homenagem

ao pesquisador Theodor Svedberg,

que inventou um equipamento denominado

ultracentrífuga, utilizada para estudar os

ribossomos)


Conhecendo umabactéria por dentro e por fora

Agora que você consegue distinguir uma célula procariótica de uma eucariótica, vamos conhecer melhor a estrutura de uma célula procariótica através das bactérias, as quais representam uma célula procariótica típica. As bactérias são delimitadas pela membrana celular ou citoplasmática. Internamente e externamente a essa membrana, existem estruturas importantes para a sua sobrevivência, as quais estão detalhadas logo abaixo.

...Por dentroMembrana Celular: a membrana celular ou membrana plasmática das bactérias possui a mesma estrutura geral da membrana das células eucarióticas. Essa estrutura separa o meio interno (citoplasma) do meio externo. É constituída principalmente por fosfolipídios e proteínas na seguinte proporção: duas camadas de fosfolipídios com as proteínas inseridas no centro (proteínas transmembranas ou intrínsecas) ou mais frouxamente colocadas na superfície interna e externa (proteínas periféricas) da camada de fosfolipídios. Como as proteínas estão inseridas frouxamente e se movem dentro da camada de fosfolipídios, esse arranjo é chamado de mosaico fl uido. A principal função da membrana celular é selecionar o que entra e sai da célula. Podemos dizer, então, que a membrana possui uma permeabilidade seletiva ou é semipermeável. Também é importante na digestão de nutrientes e na produção de energia (esse assunto será discutido na Aula 5).

Atividade 2

1

2

Glicoproteína

Glicolipídeo

Proteína periférica

Proteína intrínseca Molécula de fosfolipídeo


Fonte: <www.netxplica.com>. Acesso em: 23 set. 2009.

Observe a fi gura abaixo.

Descreva a composição química da membrana plasmática.

Entre no endereço eletrônico abaixo:

<http://www.territorioscuola.com/youtube/index.php?key=Plasm%C3%A1tica>.

Clique sobre o vídeo Biologia: Membrana Plasmática (Prof Toid). Descreva o que você assistiu.


Permeabilidade seletiva - indica que certas moléculas e íons passam através da membrana, mas outros são impedidos de passar através dela.

Internamente à membrana celular encontra-se o citoplasma. O citoplasma é composto principalmente de água e é a região onde se encontram as principais estruturas da bactéria, como o material genético (DNA), ribossomos e alguns grânulos contendo nutrientes de reserva.

Material genético bacteriano: como descrito na Tabela 1, o material genético bacteriano é constituído de uma única molécula de DNA (ácido desoxirribonucleico) de forma circular, denominada cromossomo. Nessa molécula estão contidas todas as informações que vão determinar como a bactéria vai obter nutrientes, produzir energia, multiplicar-se etc. Ao contrário das células eucarióticas, o cromossoma bacteriano não está separado numa região chamada núcleo, está disperso dentro do citoplasma juntamente com outros componentes numa região denominada nucléolo. Além do cromossoma, algumas bactérias possuem uma molécula extra de DNA chamada de plasmídeo, que confere à bactéria que a possui características adicionais às que ela já possuía como, por exemplo, a capacidade de sobreviver a determinados antibióticos.

Antibióticos – substâncias produzidas por alguns microrganismos com capacidade de matar outros microrganismos.

Ribossomo bacteriano: são constituídos de ácido ribonucleico (RNA) e proteína. É nessas estruturas que a bactéria sintetiza suas proteínas. As células eucarióticas também possuem ribossomas, porém, são maiores que os das bactérias. Por isso, os ribossomas procarióticos são denominados 70S e os eucarióticos 80S.

Grânulos de reserva: são locais onde as bactérias armazenam alguns nutrientes para serem usados quando estiverem escassos no ambiente. Exemplos de nutrientes armazenados: glicogênio, amido, lipídios, enxofre.

Atividade 3

Citoplasma Membrana plasmática

Retículo endoplasmático

liso

Retículo endoplasmático

rugoso

Complexo de Golgi Mitocôndria

Núcleo

Nucléolo

Lisossomos

a

1 3

2

4

5

b


Baseado na leitura acima, indique o tipo de célula nas Figuras (a) e (b) e denomine as estruturas numeradas na Figura (b).

Agora que você já reconhece uma célula procariótica e uma eucariótica, observe as Figuras (a) e (b).

Figura (a): _______________________________

Figura (b): _______________________________

Estrutura 1 ______________________________

Estrutura 2 ______________________________

Estrutura 3 ______________________________

Estrutura 4 ______________________________

Estrutura 5 ______________________________

Figura a – céula animal Figura b – célula bacteriana

Parede Bacteriana

L-alanina

N-Acetilglicosamina

N-Acetilmurâmico

D-ácido glutâmico

L-lisina

D-Alanina


... E por foraExternamente à membrana celular, as bactérias possuem um envoltório chamado de

parede celular. A principal função da parede é prevenir a ruptura das bactérias quando a pressão da água dentro da célula é maior que fora dela. Por isso, essa estrutura é uma das mais importantes para a bactéria. Ela também serve para manter a forma da bactéria.

A parede é constituída por um composto químico chamado de peptidoglicano, também conhecido como mureína. O peptidoglicano é formado por dois monossacarídeos denominados N-acetilglicosamina e ácido N-acetilmurâmico, unidos por uma ligação glicosídica de forma alternada e ligados ao N-acetilmurâmico, uma cadeia de quatro aminoácidos. São formadas várias camadas dessas estruturas em volta da bactéria e cada camada está ligada uma à outra através dos aminoácidos (veja a Figura 1 a seguir).

Figura 1 – Composição do peptidoglicano

Fonte: <www.educa.madrid.org>. Acesso em: 23 set. 2009.

Distinguindo as bactérias pela parede celular De acordo com a estrutura da parede celular, as bactérias podem ser divididas em dois

grupos: bactérias Gram positivas e bactérias Gram negativas.

Bactérias Gram positivas: nas bactérias chamadas Gram positivas, a parede é constituída por muitas camadas de peptidoglicano, formando uma estrutura espessa e rígida. Dentro dessa parede encontram-se inseridos dois compostos chamados ácido teicoico e lipoteicoico. Essa estrutura está relacionada com a capacidade que algumas bactérias possuem de causar doenças (veja na Figura 2 a parede celular de uma bactéria Gram positiva).


A parede celular das bactérias Gram positivas pode possuir até 40 camadas de peptidoglicano.

Figura 2 – Parede de uma bactéria Gram positiva

Fonte: <www.unb.br/.../morfologia1/morfologia1.html>.

Acesso em: 23 set. 2009.

A palavra Gram é uma homenagem ao pesquisador Christian Gram, que desenvolveu em 1884 uma técnica de coloração para o estudo de bactérias que é utilizada até hoje.

Bactérias Gram negativas: a parede das bactérias Gram negativas é um pouco diferente. É constituída de poucas camadas de peptidoglicano, formando uma estrutura fi na; externamente ao peptidoglicano há uma membrana denominada como membrana externa (não confunda essa estrutura com a membrana celular, vista anteriormente). Na membrana externa encontram-se inseridos proteínas e um composto denominado de lipopolissacarídeo (lipídios e polissacarídeos) ou LPS. Essa estrutura, assim como o ácido teicoico da parede das Gram positivas, está relacionada com a capacidade de causar doença em humanos e animais. Entre a membrana plasmática e a membrana externa existe um espaço denominado de espaço periplasmático, local onde a bactéria armazena várias proteínas utilizadas para várias funções, como obtenção de energia e transporte de substância para dentro da célula (veja na Figura 3 a parede celular de uma bactéria Gram negativa).

Atividade 4

Membrana citoplasmática

Porina

Peptidoglicano

Lipoproteínas

LPS

Membrana externa

Espaço periplasmático


Figura 3 – Parede de uma bactéria Gram negativa

Observe novamente as diferenças existentes entre a parede celular de uma bactéria Gram positiva e uma Gram negativa nas Figuras 2 e 3. Enumere as diferenças que você observou entre as duas paredes.

Fonte: <www.prof2000.pt/users/biologia/tcolgram.htm>.



A bactéria Gram positiva Streptococcus mutans fixa-se na superfície dos nossos dentes através do glicocálix. Essa bactéria é uma das responsáveis pela cárie dentária.

Flagelo: É um fi lamento longo, formado de proteína, utilizado para o deslocamento da bactéria de um ambiente para outro. As bactérias podem ter um, dois ou mais fl agelos.

Fímbrias ou pili: São estruturas mais curtas e mais fi nas que os fl agelos, também de natureza proteica, utilizadas para a fi xação da bactéria nas superfícies. Essa estrutura também pode ser utilizada para a bactéria fazer um contato físico com outra bactéria, à medida que os pili de uma se ligam à superfície de outra (você verá mais detalhes sobre esse assunto na Aula 8).

Figura 4 – Célula bacteriana

Fonte: <www.terrebonneonline.com/b2eukpro.htm>. Acesso em: 23 set. 2009.

Pili

é uma palavra oriunda do latim que signifi ca pelo.

Pili é o plural de pilus.

Externamente à parede, algumas bactérias podem apresentar estruturas que auxiliam sua sobrevivência, como glicocálix, fl agelos e fímbrias.

Glicocálix: é um polissacarídeo que recobre a bactéria. Essa estrutura é utilizada para a bactéria se fi xar em uma superfície. Se o glicocálix estiver fi rmemente aderido à parede, ele é chamado de cápsula, e quando está fracamente aderido é chamado de camada limosa.

Atividade 5


Observe a Figura 4. Relacione as estruturas externas à parede celular.

Coco

Cocobacilo

Vibrião

Bacilo

Espirilo

Espiroqueta


As bactérias têm uma forma específi ca e formam grupos

Geralmente as bactérias possuem algumas formas básicas: esféricas, em forma de bastão e em espiral. Uma bactéria esférica é chamada coco e em bastão é chamada de bacilo. Existem as que possuem uma forma intermediária entre coco e bacilo, que são os cocobacilos. As que têm forma de espiral possuem uma variedade de formas curvas. Por exemplo, a bactéria que tem forma de vírgula é chamada de vibrião; em formato ondulado chama-se espirilo e as com formato de espiral são espiroquetas.

Algumas bactérias não se separam depois que se dividem. As bactérias esféricas (cocos), depois que se multiplicam, podem formar duplas (diplococos) ou cadeias (estreptococos). Podem formar ainda tétrades (4 bactérias juntas), sarcinas (8 bactérias juntas) ou apresentam-se em cachos, chamados estafi lococos. Os bacilos também podem formar arranjos como duplas (diplobacilos) ou cadeias (estreptobacilos), ou ainda podem fi car de forma isolada.

Figura 5 – As principais formas bacterianas

Fonte: Black (2002).

Atividade 6

a

Bacilo único

Diplobacilos

Estreptobacilos

b

Estafilococos

Diplococos

Plano de divisão

Estreptococos

Tétrade

Sarcinas


Figura 6 – (a) Os principais arranjos dos cocos; (b) os principais arranjos dos bacilos

Observe as principais formas e arranjos das bactérias nas Figuras 5 e 6. Tente desenhar as principais formas e arranjos dentro dos círculos abaixo.

Fonte: Tortora, Berdell e Funke (2005).

Atividade 7


As bactérias mudam para sobreviver em ambientes hostis

Quando os nutrientes essenciais se esgotam em um determinando ambiente, algumas bactérias Gram positivas se transformam em células especializadas chamadas endósporos. É uma forma de “repouso” da célula bacteriana, ou seja, na forma de endósporo ela não metaboliza nutrientes e nem se multiplica. Estruturalmente, os endósporos são formados por uma região central denominada de cerne e camadas mais externas chamadas de córtex e capa. Essas estruturas são formadas dentro da célula e, quando esta se rompe, o endósporo é liberado no meio ambiente e pode sobreviver nessa forma por milhares de anos. A capacidade de permanecer viável por tanto tempo é porque os endósporos são resistentes ao calor, à desidratação, à acidez, à alcalinidade, a certos desinfetantes e até mesmo à radiação. Os endósporos podem germinar, ou seja, voltar a seu estado multiplicativo novamente. Isso é possível quando ocorre uma lesão física ou química no revestimento do endósporo.

Faça uma pesquisa na internet sobre a espécie bacteriana produtora de endósporo chamada Clostridium tetani e responda.

a) Qual a doença que essa bactéria causa?

b) Como se adquire essa bactéria?

c) Qual a função do endósporo para a bactéria?

1

2

3


ResumoNesta aula, você viu que os seres vivos estão distribuídos em dois tipos de células, procarióticas e eucarióticas, e aprendeu a diferenciá-las. Você viu, também, que a maioria das bactérias se apresenta sob a forma esférica (cocos), em bastão (bacilo) ou espiralada (vibriões, espirilos e espiroquetas) e que as bactérias são classifi cadas em Gram positivas e Gram negativas. Entendeu que elas podem apresentar externamente estruturas como fl agelos, cápsula e fímbrias, e, fi nalmente, compreendeu que algumas espécies de bactérias podem produzir estruturas denominadas endósporos, que capacitam a bactéria a sobreviver em ambientes desfavoráveis.

AutoavaliaçãoQuais são as principais diferenças entre as células procariótica e eucariótica?

Cite as principais diferenças na parede celular das bactérias Gram positivas e Gram negativas.

Cite as estruturas externas à parede celular de uma bactéria com sua respectiva função.

Referências BLACK, J. G. Microbiologia fundamentos e perspectivas. 4. ed. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Koogan, 2002.

PELCZAR, M. J. et al. Microbiologia: conceitos e aplicações. São Paulo: Makon Books, 1996.

TORTORA, G. J.; FUNKE, B. R.; CASE, C. I. Microbiologia. 8. ed. Porto Alegre: Editora Artmed, 2005.

Anotações


Trabalhando no laboratório de Microbiologia

2Aula

1

2

3


Apresentação

Agora que você já tem conhecimento sobre a presença dos microrganismos em praticamente todos os ambientes, vamos, então, aprender de que forma podemos manipular e estudar melhor esses seres vivos. Você sabia que é possível cultivarmos

uma bactéria ou um fungo no laboratório? Sim, é possível. Porém, deve ser feito em um ambiente adequado, com segurança e com equipamentos e técnicas específi cas. Nesta aula, você conhecerá o laboratório de Microbiologia, ou seja, o ambiente onde podemos cultivar os microrganismos, as condutas de seguranças que devem ser tomadas para se trabalhar em um laboratório e os materiais e equipamentos necessários para a manipulação dos microrganismos com segurança.

ObjetivosConhecer as normas de biossegurança para o laboratório de Microbiologia.

Reconhecer os materiais e equipamentos utilizados no laboratório de Microbiologia.

Executar manobras assépticas para a manipulação de microrganismos no laboratório.


Trabalhando com segurança no laboratório de Microbiologia

Para a manipulação de microrganismos no laboratório, é necessário seguir algumas regras básicas para a segurança pessoal, assim como para o ambiente. Veja abaixo algumas normas que devem ser seguidas para qualquer atividade executada dentro do laboratório de Microbiologia.

Os materiais usados para a proteção pessoal são chamados de Equipamentos de Proteção Individual (EPI).

Normas para a segurança pessoal

� Usar luvas descartáveis. O uso de luvas protege o indivíduo de possíveis contaminações, caso ocorra algum acidente.

� Usar jaleco (bata) abotoado de mangas compridas. Protege as roupas do indivíduo, assim como fornece uma proteção adicional ao corpo.

� Usar sapato fechado.

� Usar óculos de proteção. Protege os olhos de vapores e espirros de produtos químicos e biológicos.

� Usar protetor facial (máscaras). Protege a face contra o impacto de partículas sólidas, líquidas, vapores etc.

GorroÓculosMáscara

Bata

Luvas

Sapato


Figura 1 – Equipamentos de Proteção Individual (EPI)

Todos os EPIs devem ser descartáveis, exceto o jaleco e os óculos de proteção.

Normas gerais de segurança para o laboratório de Microbiologia

� Desinfetar a bancada de trabalho no início e no término da atividade.

� Não colocar nenhum material sobre a bancada, exceto o de trabalho.

� Prender cabelos longos e retirar todos os acessórios pessoais como brincos, anéis, relógios etc.

� Alimentos e bebidas não devem ser ingeridos dentro do laboratório.

� Se houver acidentes, como o derramamento de microrganismos, deve ser comunicado imediatamente ao professor. O material deve ser coberto com desinfetante durante 15 minutos, e deve-se lavar bem as mãos com água e sabão.

� Todo material contaminado deve ser colocado em recipientes adequados. Nunca deve ser deixado sobre a bancada.

� Lavar sempre as mãos com água e sabão antes de sair do laboratório.

Atividade 1


Qual a importância da utilização das normas de segurança no laboratório de Microbiologia?


Para o cultivo dos microrganismosVIDRARIAS – constituem os materiais de vidro que são utilizados no laboratório de Microbiologia para os mais diversos fi ns. Por exemplo: tubos de ensaio, béqueres, placas de Petri, erlenmeyers, pipetas, provetas, balões etc. Vejas as fotos abaixo.

Materiais e equipamentos utilizados no laboratório de Microbiologia

Uma vez que você já aprendeu as principais regras de segurança para se trabalhar em um laboratório de Microbiologia, vamos conhecer agora os materiais e equipamentos necessários para manipularmos os microrganismos. Como sabemos, os microrganismos estão em toda parte: no solo, no ar, na água, nos alimentos, no corpo humano, nas plantas e nos animais. Isso acontece porque eles encontram nesses diferentes ambientes condições físicas e nutricionais para sobreviver e se multiplicar. Dessa forma, para podermos cultivar os microrganismos no laboratório, precisamos fornecer a eles essas mesmas condições que são encontradas nos seus ambientes naturais, ou seja, temperatura adequada, nutrientes, água etc. Vamos listar a seguir os principais materiais e equipamentos que são utilizados na rotina de um laboratório de Microbiologia.

Figura 2 – Becker: recipiente com ou sem graduação, utilizado para o preparo de soluções, aquecimento de líquidos etc

Figura 3 – Balão de fundo chato: frasco destinado a armazenar líquidos

500ml

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0


Figura 8 – Pipeta graduada: equipamento calibrado para medida precisa de volume de líquidos

Fonte: <www.casadolaboratorio.com.br/vidrar.html>.

Acesso em: 23 out. 2009.

Figura 6 – Tubos de ensaio: utilizados para distribuir meios de cultura ou para efetuar reações químicas em pequena escala

Figura 7 – Proveta graduada: frasco com graduações, destinado a medidas de volumes de líquidos

Figura 4 – Erlenmeyer: frasco utilizado para aquecer líquidos, para preparar soluções etc

Figura 5 – Placas de Petri: recipiente redondo com tampa rasa utilizado para distribuir meios de cultura

MEIO DE CULTURA – é o meio onde estão contidos os nutrientes básicos para os microrganismos se multiplicarem. Podemos dizer que é o “alimento” dos microrganismos. Os meios de cultura podem ser preparados de forma sólida, líquida e semissólida, dependendo


Às vezes, precisamos usar meios especiais para separar ou reconhecer um microrganismo específi co quando ele se encontra misturado com outros. Para isso, usamos os chamados meios de cultura seletivos e meios de cultura diferenciais.

Meios de cultura seletivos – São meios que possuem determinadas propriedades que selecionam apenas o microrganismo desejado e impedem o crescimento de outros. Por exemplo, na nossa pele habitam várias espécies de microrganismos. Se desejar isolar e cultivar no laboratório somente uma espécie, posso passar uma haste fl exível (mais conhecida como “cotonete”) na pele e semeá-lo sobre um meio de cultura seletivo para a espécie que desejo cultivar. Dessa forma, só vai crescer nesse meio aquela espécie que eu queria isolar.

Meios de cultura diferenciais – São meios que possuem propriedades na sua constituição as quais permitem observarmos características diferencias de um microrganismo específi co quando esse cresce sobre o meio juntamente com outros. Se pensarmos no exemplo do item

da presença ou ausência de uma substância que solidifi ca o meio de cultura chamada ágar (uma espécie de gelatina), ou seja, quando o meio de cultura é sólido, ele contém cerca de 1,5 a 2% de ágar; quando é semissólido, contém em torno de 0,3 a 0,5% de ágar, e quando líquido, não contém o ágar.

Ágar é um polissacarídeo obtido de algas marinhas que se liquefaz (se torna líquido) a uma temperatura acima de 45 °C e fi ca sob a forma de gel abaixo de 45 °C . Quando o meio é sólido, geralmente ele é distribuído em placas de Petri (Figura 9) ou em tubos de ensaio; os semissólidos e líquidos são colocados em tubos de ensaio (Figura 10). Veja as fi guras abaixo.

Figura 9 – Meio de cultura em placas de Petri Figura 10 – Meio de cultura em tubo de ensaio

Fonte: <www.mbiolog.com.br/produto.php?id=43>.



Como se preparam os meios de cultura no laboratório?

Os meios de cultura são encontrados de forma desidratada (em forma de pó) em lojas específi cas para materiais de laboratório. Uma quantidade desejada é retirada do frasco (depende da quantidade de meio que você deseja preparar), hidrata-se com água destilada, esteriliza-se para eliminar qualquer organismo contaminante e depois se distribui em placas de Petri ou tubos de ensaio. Veja abaixo a sequência de algumas etapas durante o preparo de um meio de cultura.

Observação: será marcado um dia no seu polo para revermos esse assunto, oportunidade em que você poderá conhecer diferentes tipos de meios de cultura.

anterior sobre os microrganismos da pele, o meio diferencial não inibe nenhuma espécie, mas separa o microrganismo desejado por alguma característica diferencial que ele apresente nesse tipo de meio, como, por exemplo, a cor, a forma etc.

Figura 11 – Sequência de preparo de um meio de cultura

Fonte: <www.e-escola.pt/topico.asp?id=275>. Acesso em: 22 set. 2009.

Atividade experimental 1


Água destilada é uma água sem impurezas, ou seja, contém somente moléculas de água.

Prepare um meio de cultura

Passo 1 – Tente conseguir os seguintes materiais: um tablete de caldo de carne, um pacote de gelatina incolor, 2 copos de água, tampas de pote de café ou margarina, cotonetes.

Passo 2 – Forma de preparar o meio de cultura

� Dissolva a gelatina incolor na água conforme as instruções do pacote.

� Dissolva o tablete de caldo de carne em um copo de água morna.

� Agora, misture a gelatina dissolvida com o caldo de carne.

� Distribua dentro de recipientes rasos como uma tampa de pote de café ou tampa de margarina, cobrindo o fundo do recipiente com uma camada rasa do meio.

� Cubra as tampas contendo o meio de cultura com um pedaço de plástico e deixe descansar por algumas horas.

Passo 3 – Contaminação do meio de cultura

� Passe um cotonete no chão e depois esfregue-o levemente sobre a camada de um dos meios de cultura que você preparou.

� Passe outro cotonete do lado de dentro da sua bochecha e contamine outra tampa contendo meio de cultura.

� Toque os 5 dedos da sua mão sobre o meio de cultura.

� Cubra novamente os meios e guarde por 1 ou 2 dias.

Após esse tempo, abra os meios e descreva o que você observou.


Observação – Você pode tentar outras formas de contaminar o meio de cultura. Por exemplo: tente passar um fi o do seu cabelo sobre o meio, tente passar o cotonete na sua mesa, na maçaneta da porta do seu banheiro ou entre os dedos do seu pé. Use a sua imaginação e faça outras experiências.

Figura 12 – Estufa bacteriológica

Importante: DESCARTE AS PLACAS CONTAMINADAS! Após você ter executado essa atividade é importante descartar os meios de cultura contaminados de forma segura. Então, proceda da seguinte forma: coloque os recipientes contendo os meios contaminados dentro de um saco plástico reforçado e que não esteja furado, adicione um pouco de água sanitária sobre os meios e amarre a boca do saco bem forte. Leve o saco até uma lixeira onde ele possa ser recolhido pela companhia de lixo da sua cidade.

ESTUFA – É um equipamento elétrico que fornece a temperatura ideal para a multiplicação do microrganismo. É semelhante a um forno elétrico; porém, na estufa existe um dispositivo onde podemos controlar a temperatura desejada. Para cultivarmos um microrganismo em um meio de cultura, é necessário incubá-lo em uma temperatura apropriada ao seu desenvolvimento. Veja a Figura 12 a seguir.


Você pode construir uma estufa de incubação!

Você pode improvisar uma estufa usando uma caixa de papelão e uma lâmpada de 40 ou 60 Watts, como a da fi gura a seguir.

Figura 13 – Caixa de papelão com lâmpada

Fonte:<http://revistaescola.abril.com.br/ciencias/pratica-pedagogica/

como-ensinar-microbiologia-426117.shtml>. Acesso em: 28 out. 2009.

Observação – caso você tenha disponibilidade de construir a estufa como a da Figura 13, você pode utilizá-la para incubar os meios que você contaminou na Atividade Experimental 1, ao invés de incubar à temperatura ambiente.

CÂMARA DE FLUXO LAMINAR – Cabine estéril para a manipulação de microrganismos sem contaminar com os microrganismos do ambiente. Esse equipamento possui uma lâmpada ultravioleta que mata os microrganismos contaminantes de dentro da cabine e um fi ltro especial que fi ltra o ar que circula dentro dessa cabine, deixando-a totalmente livre de qualquer microrganismo. Veja as Figuras 14 e 15.

Figura 14 – Câmara de fl uxo laminar Figura 15 – Técnico trabalhando na câmara de fl uxo laminar

Fonte: <www.lupe.com.br/br/mostra_produtos.php?id=93>.



Você pode improvisar uma câmara asséptica!

Abra uma caixa de papelão e retire a tampa. Coloque a caixa deitada sobre uma bancada e use uma lamparina ao invés do um bico de Bunsen (Figura 17). Se você tiver como improvisar uma câmara asséptica como a da Figura 17, você pode usá-la para distribuir nos recipientes o meio de cultura que você preparou na Atividade experimental 1. O uso de um ambiente asséptico durante a manipulação do seu meio de cultura evitará a contaminação com microrganismos do ambiente.

CÂMARA ASSÉPTICA – É um pequeno quarto fechado com uma lâmpada ultravioleta e uma bancada onde é instalado um bico de Bunsen. A área em volta da chama do bico de Bunsen (Figura 16) fornece uma área chamada de “área de segurança”, onde se pode manipular materiais estéreis sem contaminá-los com microrganismos do ambiente.

Figura 16 – Bico de Bunsen: equipamento ligado a um botijão de gás que gera uma área de calor em volta da chama, o que impede a entrada de microrganismos provenientes do ambiente

Fonte: <http://www.vetfacil.com/_/rsrc/1250170894255/Home/microbiologia-1/Microbiologia-Veterinaria/laboratorio-de-microbiologia/equipamentos/bico-de-

bunsen/Bico%20de%20Bunsen.jpg>. Acesso em: 19 set. 2009.

Figura 17 – Câmara asséptica improvisada

Fonte: Laboratório de Bacteriologia (UFRN).

Atividade 2


Acesse o endereço eletrônico <www.e-escola.pt/topico.asp?id=312&ordem=2>.

Clique na seta para iniciar a animação e assista.

Cite os materiais utilizados no laboratório de Microbiologia que você observou na animação.


Para a esterilização de materiaisAUTOCLAVE – Equipamento elétrico que fornece calor (na forma de vapor) sob pressão e produz uma temperatura mínima de 121°C. A pressão interna é maior que a pressão atmosférica e esse aumento da pressão faz a água entrar em ebulição, a uma temperatura acima de 100°C. No interior da autoclave, na parte inferior, coloca-se água, e logo acima um cesto ou tabuleiro com o material a esterilizar. O tempo de esterilização pode variar de 15 a 30 minutos.

Figura 19 – Estufa de esterilização

Figura 18 – Autoclave

Fonte: <www.ciencor.com.br/catalogo/paginas/autoclave.htm>.

Acesso em:7 out. 2009.

ESTUFA DE ESTERILIZAÇÃO – Diferentemente da autoclave, a estufa de esterilização utiliza calor seco. O calor seco possui um poder de penetração nos materiais menor do que o calor úmido (usado na autoclave) e, dessa forma, é necessário utilizar tempo e temperatura maiores do que na autoclave. Por exemplo, para esterilizar metais, usa-se a temperatura de 160°C por 2 horas.

Fonte: <http://br.geocities.com/equipamentosodontolgicos/

estufa.htm>. Acesso em: 16 out. 2009 .


Figura 20 – Estufa de esterilização aberta contendo materiais para esterilizar

Fonte: <www.estg.ipleiria.pt/website/dep.php?id=321378>.


Para transferência de microrganismosA transferência de um microrganismo para um meio de cultura é chamada de repique,

semeadura ou inoculação. Geralmente, usamos para isso alça (Figura 21) ou agulha (Figura 22) bacteriológica. São constituídas por um fi lamento de platina ou de níquel-cromo inserido em um cabo.

Figura 21 – Alça bacteriológica Figura 22 – Agulha bacteriológica

Fonte: Laboratório de Bacteriologia (UFRN). Fonte: Laboratório de Bacteriologia (UFRN).

Atividade 3


Acesse o endereço eletrônico <www.e-escola.pt/topico.asp?id=310&ordem=2>

Clique na seta para iniciar a animação e observe a semeadura de um microrganismo em um meio de cultura.

Cite o instrumental que foi utilizado para a semeadura do microrganismo no meio de cultura.

Manobras assépticas para a manipulação de microrganismos

Além dos vários materiais e equipamentos que você conheceu, utilizados para a manipulação de microrganismos no laboratório de Microbiologia, é necessário conhecer ainda a forma adequada de manipulá-los para que o material que você está trabalhando não seja contaminado com os microrganismos do ambiente ou até com a sua própria pele. Para isso, utilizamos alguns cuidados, os quais são chamados de “manobras assépticas”.

1) Trabalhar em áreas previamente submetidas à limpeza e desinfecção.

2) Trabalhar dentro da “área de segurança” do bico de Bunsen, ou seja, os recipientes estéreis só devem ser manipulados próximo à chama do bico.

3) Esterilizar por fl ambagem a alça e agulha antes e após cada inoculação.

Flambagem

Método usado para esterilizar alças e

agulhas bacteriológicas, deixando-as dentro da

chama do bico de Bunsen até fi carem rubras.

a

c

b

d

e


4) Deixar esfriar alça e agulha antes de obter o inóculo, dentro da área de segurança.

5) Flamblar rapidamente a boca dos tubos contendo microrganismos ou meio estéril, imediatamente após abri-los, ou antes de fechá-los. A tampa nunca deverá ser colocada sobre a bancada, sendo retirada e mantida segura pelo dedo mínimo da mão durante a inoculação.

Figura 23 – Sequência de manobras assépticas ao manipular microrganismos: a) esterilização da alça bacteriológica por fl ambagem na chama do bico de Bunsen; b) abertura da tampa do tubo de ensaio; c) fl ambagem da boca do tubo de ensaio; d) retirada do microrganismo com a alça bacteriológica; e) fechamento do tubo de ensaio.

Atividade 4


Acesse o endereço eletrônico <www.e-escola.pt/topico.asp?id=312&ordem=2>.

Clique na seta para ver a animação.

Cite as manobras assépticas que você observou na animação.

Resumo

1

2

3

4


AutoavaliaçãoCite as principais normas de segurança utilizadas no laboratório de Microbiologia.

Defi na meio de cultura.

Defi na o termo “área de segurança” do bico de Bunsen e diga qual é a sua utilização.

Por que é importante a utilização de manobras assépticas na manipulação de microrganismos?

ReferênciasOKURA, M. H.; RENDE, J. C. Microbiologia roteiros de aulas práticas. Riberão Preto: Editora Tecmedd, 2008.

SILVA FILHO, G. N.; OLIVEIRA, V. L. Microbiologia manual de aulas práticas. 2. ed. Florianópolis: Editora da UFSC, 2007.

VERMELHO, A. B. et al. Práticas de microbiologia. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2006.

Nesta aula, você fi cou sabendo que é possível cultivarmos um microrganismo fora do seu habitat natural, ou seja, no laboratório. Para isso, basta fornecermos a esse microrganismo condições semelhantes a que ele tinha no seu ambiente natural, como nutrientes e temperatura adequados. Você viu, ainda, que embora sejam necessários alguns equipamentos específi cos para cultivarmos os microrganismos, é possível improvisarmos utilizando materiais simples e um pouco de criatividade. Você aprendeu, também, que para se manipular os microrganismos com segurança no laboratório, é necessário seguirmos algumas normas de biossegurança e algumas manobras assépticas, principalmente para evitar que a pessoa que está manipulando o microrganismo se contamine ou que o ambiente venha contaminar o material com o qual se está trabalhando.

Anotações


“Vendo” o invisível

3Aula

1

2

3


Apresentação

Os microrganismos são chamados dessa forma porque são tão pequenos que não podem ser visualizados ao olho humano. Uma bactéria, por exemplo, mede entre 0,5 e 2 micrômetros (µmµm). Porém, existem várias estratégias para nos possibilitar

a visualização dos microrganismos, como por exemplo, o uso de corantes para corar os microrganismos e a utilização de lentes de aumento como as dos microscópios. Nesta aula, você conhecerá várias dessas estratégias que possibilitam a visualização dos microrganismos.

ObjetivosComparar as colorações simples e diferenciais.

Listar as etapas na preparação da coloração de Gram, descrevendo o aspecto das células Gram-positivas e Gram-negativas após cada etapa.

Comparar e contrastar a coloração de Gram e a coloração de Ziehl-Neelsen.

1µmµm

Milionésima parte do milímetro.


Preparando os microrganismos para a visualização

Embora as lentes dos microscópios possibilitem a visualização dos microrganismos, dependendo do que se deseja observar, é necessário criar um contraste entre o microrganismo que será observado e o plano de fundo, pois a maioria dos microrganismos é quase incolor quando observados através de um microscópio óptico padrão. Esse contraste é conseguido através de colorações em que o microrganismo é submetido antes de ser observado ao microscópio. Outro aspecto importante na preparação dos microrganismos para a visualização é a qualidade do preparo do material a ser visualizado. Por exemplo, é necessário ter um cuidado especial com a limpeza das lâminas de vidro onde será depositado o microrganismo para visualização. Veja a seguir como se prepara as lâminas de vidro.

Preparo das lâminas de vidro: as lâminas devem estar completamente livres de gordura, e para isso devem ser lavadas com água e sabão, enxaguadas exaustivamente em água e deixadas em um recipiente com etanol a 95%. Antes da utilização, as lâminas devem ser retiradas do recipiente com uma pinça e secas com papel-toalha ou pano bem macio que não solte fi apos.

De uma forma geral, as células microbianas podem ser examinadas a fresco (microrganismo vivo) ou fixadas sobre uma lâmina de vidro (microrganismo morto), dependendo do que se deseja examinar.

Observando o microrganismo vivoAs técnicas de observação do microrganismo vivo é bastante útil para observar a

viabilidade do microrganismo e algumas atividades celulares, como a motilidade e a divisão celular, uma vez que o microrganismo está vivo. E, ainda, possibilita a observação do tamanho e da forma natural das células microbianas. Veja abaixo como se prepara um exame a fresco, no qual o microrganismo é observado vivo.

Exame a frescoO exame a fresco consiste na deposição de uma gota de cultura microbiana entre uma

lâmina e uma lamínula de microscópio. A visualização microscópica a fresco é difícil devido ao tamanho reduzido dos microrganismos e ao fato de parecerem translúcidos, quando suspensos em um meio aquoso. Porém, é bastante útil para observar a viabilidade do microrganismo.

Cultura microbiana

Crescimento de um microrganismo em

um meio de cultura.

Atividade 1

AlçaBacteriológica

Lamínula

Cultura MicrobianaCultura Microbiana

Lâmina


Nas preparações a fresco, podem-se utilizar corantes para facilitar a visualização. Veja na Figura 1 o esquema de uma preparação a fresco.

Figura 1 – Preparo de uma lâmina para observação a fresco

Fonte: <www.prof2000.pt/users/biologia/ptemporarias.htm>. Acesso em: 23 nov. 2009.

Observando microrganismos vivos

Observação – Antes de iniciar essa atividade experimental, faça uma revisão a respeito das normas de segurança e das manobras assépticas na Aula 2, “Trabalhando no Laboratório de Microbiologia”. As Atividades 1, 5 e 6 desta aula são experimentais e devem ser realizadas no seu polo de ensino.

Objetivo:

� Preparar lâminas para observação a fresco.

Materiais:

» Lâminas de microscópio;

» Lamínulas;

» Cultura da espécie bacteriana Escherichia coli em meio líquido;

» Microscópios.


Procedimentos:

1) Flambe até fi car vermelha uma alça bacteriológica na chama de uma lamparina e deixe-a esfriar próximo à chama.

2) Abra o tubo de ensaio contendo a cultura bacteriana próximo à chama, retire uma alçada da cultura, deposite no centro da lâmina e então feche o tubo de ensaio; em seguida, fl ambe a alça novamente antes de guardá-la.

3) Cubra a gota da cultura com uma lamínula.

4) Leve a lâmina até o microscópio e observe na objetiva de 40X.

5) Tente fazer um desenho dentro do círculo do que você observou na sua lâmina.

Colorindo os microrganismosO uso de corantes para corar os microrganismos é uma estratégia bastante útil, pois faz

com que eles se destaquem contra seus planos de fundo, otimizando sua observação.

Tipos de corantesEm Microbiologia, os corantes mais utilizados são os corantes catiônicos (positivamente

carregados) ou básicos e os aniônicos (negativamente carregados) ou acídicos. Os corantes básicos, tais como o azul de metileno, o cristal violeta, a safranina e o verde de malaquita são atraídos pelos componentes celulares que são negativamente carregados como, por exemplo, a membrana plasmática. Já os corantes acídicos como a eosina e o ácido pícrico são repelidos pela carga negativa da superfície dos microrganismos. Nesse caso, o microrganismo não é corado e o corante fi ca depositado somente na lâmina.

Atividade 2


Tipos de coloraçãoEm Microbiologia, são utilizados 2 tipos principais de coloração: a coloração simples

e a diferencial. Veja abaixo a defi nição de coloração simples e, mais à frente, a defi nição de coloração diferenciada.

Coloração simples – utiliza apenas um único corante e revela os formatos básicos das células e seus arranjos (revise sobre as formas e os arranjos bacterianos citados na Aula 1, comparando células procarióticas e células eucarióticas). Alguns dos corantes mais utilizados nesse tipo de coloração são azul de metileno, safranina e o cristal violeta. Esse tipo de coloração pode ser positiva ou negativa.

Coloração simples positiva – Usa-se um corante básico (carregado positivamente), o qual vai impregnar a superfície celular da célula (carregada negativamente). É útil para se constatar a presença de microrganismos em alguma amostra ou substrato. Acompanhe os passos dessa técnica na Figura 2.

Cite as duas categorias de corantes mais utilizados para corar microrganismos e diga o que caracteriza cada tipo.

a b c


Figura 2 – Coloração simples positiva. a) Adicionar o corante sobre a lâmina contendo uma alçada de cultura; b) lavar a lâmina com água; c) secar a lâmina com papel toalha

Fonte: Vermelho et al (2006).

Observe na Figura 3 a visualização microscópica do parasita Trypanosoma cruzi corado pelo método da coloração positiva.

Figura 3 – Trypanosoma cruzi corado pelo método da coloração positiva


Coloração simples negativa – usa-se um corante acídico (carregado negativamente), o qual é repelido pelas cargas negativas da superfície da célula. O fundo da lâmina é corado e o microrganismo não, aparecendo mais claro, dando a ideia de um negativo fotográfi co. Esse tipo de coloração é muito utilizado para a demonstração das cápsulas bacterianas (revise sobre esta estrutura bacteriana citada na Aula 1). Acompanhe os passos dessa técnica na Figura 4.

a b

c d


Figura 4 – Coloração simples negativa. a) Adicionar o corante sobre uma das extremidades da lâmina; b) adicionar uma alçada da cultura microbiana sobre o corante; c) colocar uma outra lâmina sobre a cultura e o corante e deixar que o material se espalhe na extremidade da lâmina inclinada; d) deslizar a lâmina inclinada sobre a outra lâmina, espalhando a cultura e o corante de maneira uniforme

Fonte: Vermelho et al (2006)

Observe na Figura 5 a visualização microscópica da cápsula bacteriana corada pelo método da coloração negativa.

Figura 5 – Cápsula bacteriana corada através da técnica da coloração negativa

Fonte: <pathmicro.med.sc.edu/Portuguese/chapter_1_bp.htm>. Acesso em: 23 nov. 2009.


Observando o microrganismo fi xo em uma lâmina (morto)

Para a observação do microrganismo fi xado em lâmina é necessário o preparo do esfregaço, ou seja, fi xar o microrganismo na lâmina de vidro. É nesse momento que os microrganismos são mortos. Veja abaixo como se prepara um esfregaço a partir de uma cultura líquida e de uma sólida.

Esfregaço a partir de uma cultura em meio líquido – com o auxílio de uma alça bacteriológica, retira-se uma ou duas alçadas da cultura líquida e deposita-se sobre o centro de uma lâmina de vidro. É necessário espalhar a cultura ao longo da extensão da lâmina com movimentos circulares.

Esfregaço a partir de uma cultura em meio sólido – Coloca-se previamente 1 a 2 gotas de solução fi siológica estéril sobre a lâmina de vidro e, então, se adiciona uma porção da cultura retirada do meio sólido com o auxílio de uma alça bacteriológica, espalhando o material ao longo da extensão da lâmina.

Fixação do esfregaço pelo calor – Deixe que o material depositado na lâmina seque ao ar totalmente antes de proceder com a fi xação. A fi xação pelo calor consiste em passar a lâmina contendo o esfregaço 3 vezes sobre a chama do bico de Bunsen ou lamparina. A fi xação do esfregaço vai impedir que os microrganismos depositados sobre a lâmina sejam removidos, quando submetidos ao processo de coloração. Veja na Figura 6 a preparação de um esfregaço a partir de uma cultura líquida e de um meio sólido.

Atividade 3

a d

b e

c fFixação

Meio Líquido Meio Sólido

Fixação


Qual é a diferença na realização de um esfregaço a partir de uma cultura líquida e de uma cultura sólida? Qual é a fi nalidade da fi xação do esfregaço?

Figura 6 – Preparo do esfregaço para coloração. a e d) Adicionar as células bacterianas sobre o centro da lâmina (quando as células forem provenientes de meio sólido, adicionar antes uma gota de solução fi siológica estéril); b e e) espalhar o material depositado com a alça bacteriológica; c e f) fi xação do esfregaço através da chama do bico de Bunsen


Atividade 4


Coloração diferencial – utiliza dois ou mais corantes e diferencia dois tipos de organismos. As colorações diferenciais mais comuns são a coloração de Gram e a de Ziehl-Neelsen.

Revise a Aula 1 a respeito da estrutura da parede celular das bactérias Gram positivas e Gram negativas e, após a revisão, descreva as diferenças existentes entre a parede celular desses dois tipos de bactérias.

Agora que você já relembrou a estrutura da parede celular das bactérias, podemos então estudar a técnica de coloração de Gram e a de Ziehl-Neelsen.

Coloração de Gram – essa técnica de coloração recebeu essa denominação em homenagem ao médico dinamarquês Hans Christian Gram, que desenvolveu esse método em 1884. Essa coloração separa as bactérias em 2 grandes grupos: as bactérias Gram positivas e as Gram negativas. Esse método de coloração é o método de escolha para a identifi cação de bactérias.

A coloração de Gram consiste em submeter um esfregaço preparado como descrito no texto acima e submetê-lo a 4 reagentes: um corante básico, o cristal violeta; uma solução de iodo e iodeto de potássio (lugol); álcool a 95%; e um segundo corante que pode ser a fucsina ou a safranina. O cristal violeta cora as células de roxo; o lugol liga-se ao cristal violeta, formando um complexo insolúvel (por isso é chamado de mordente); o álcool descora somente alguns tipos de célula e estas células que se descoram são coradas com o segundo corante usado na técnica, que pode ser a fucsina ou a safranina. As bactérias Gram positivas se coram de roxo no fi m da coloração e as Gram negativas fi cam rosa.

Mordente

É uma substância que forma um complexo

insolúvel quando se liga ao corante

1 Aplicação de violeta de genciana (corante púrpura)

2 Aplicação de iodo(mordente)

3 Lavagem com álcool (descoloração)

4 Aplicação de safranina (contracorante)

Violetade genciana

Iodo

Álcool

Safranina


Essa diferença é em função das diferenças existentes entre a parede celular das bactérias Gram positivas e das Gram negativas. As Gram positivas têm a parede celular mais espessa e, portanto, são mais difíceis de serem descoradas pelo o álcool, e as Gram negativas, como têm uma parede mais delgada, são mais facilmente descoradas quando são lavadas pelo álcool durante o processo de coloração. Lembre-se que você aprendeu as diferenças entre esses dois grupos de bactérias na Aula 1. Observe os reagentes usados nessa coloração na Figura 7 e as etapas da técnica na Figura 8.

Figura 7 – Reagentes da coloração de Gram

Fonte: Laboratório de Bacteriologia – UFRN

Figura 8 – Técnica da coloração de Gram

Fonte: Tortora et al (2005).

Atividade 5


Figura 9 – Bactéria Gram positiva após técnica de coloração de Gram

Observe na Figura 9 a visualização microscópica de uma bactéria Gram positiva e na Figura 10 uma bactéria Gram negativa após serem coradas pela técnica de coloração de Gram.

Fonte: <http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/08/

Staphylococcus_aureus_Gram.jpg>. Acesso em: 23 nov. 2009.

Figura 10 – Bactéria Gram negativa após técnica de coloração de Gram

Fonte: <http://images.suite101.com/180490_e.coli.jpg>.

Acesso em: 23 nov. 2009.

Coloração de Gram

Objetivos:

� Preparar um esfregaço a partir de uma cultura bacteriana líquida.

� Corar o esfregaço através da técnica de coloração de Gram.


Materiais:

» Tubos de ensaio contendo uma suspensão bacteriana (cultura em meio líquido);

» Lâminas de vidro;

» Reagentes para a coloração de Gram;

» Alças bacteriológicas;

» Óleo de imersão;

» Microscópios ópticos.

Procedimentos:

Etapa 1 - Preparação do esfregaço

1) Identifi que o lado da lâmina em que você vai depositar a cultura fazendo uma marca com lápis grafi te sobre a extremidade fosca da lâmina;

2) Coloque a lâmina no suporte apropriado que está sobre sua bancada;

3) Colete uma alçada ou mais da suspensão bacteriana e espalhe bem sobre a superfície da lâmina com a própria alça bacteriológica;

4) Deixe o material secar sobre a lâmina, deixando-a próximo da chama do bico de Bunsen;

5) Passe a lâmina 2 a 3 vezes através da chama do bico de Bunsen para fi xar o material sobre a lâmina.

Etapa 2- Coloração de Gram

1) Cubra o esfregaço com cristal violeta e deixe agir durante 1 minuto;

2) Despreze o excesso de corante no depósito apropriado e adicione lugol e deixe agir por 1 minuto;

3) Lave com água;

4) Lave rapidamente com álcool (cerca de 20 segundos);

5) Lave com água;

6) Cubra a lâmina com fucsina e deixe agir por 30 segundos;

7) Lave com água;

1

2

3


8) Deixe a lâmina secando ao ar ou seque-a com papel toalha;

9) Pingue uma gota de óleo de imersão sobre o esfregaço corado e observe ao microscópio óptico utilizando a objetiva de 100×;

10) Faça um desenho dentro do círculo do que você observou na sua lâmina e depois responda às perguntas a seguir.

A bactéria que você corou é Gram positiva ou Gram negativa? Justifi que sua resposta.

Qual é a forma da bactéria que você observou?

Acesse o endereço eletrônico <http://vudat.msu.edu/gram_stain>. Clique em “Gram Stain Technique” e faça a coloração de Gram de forma virtual.


Coloração de Ziehl-NeelsenEsta técnica é utilizada para identifi car bactérias do gênero Mycobacterium, como por

exemplo as espécies Mycobacterium tuberculosis, agentes causadores da tuberculose, e a Mycobacterium leprae, que causa a doença conhecida como lepra ou Hanseníase. Esse gênero bacteriano possui parede celular diferente das bactérias Gram positivas e Gram negativas; assim, a técnica de coloração de Gram não é adequada para corá-las. A parede das micobactérias possui uma espessa camada de lipídeos que evita a penetração de diversos corantes; porém, uma vez coradas, resistem fortemente à descoloração, mesmo com soluções ácidas e álcool absoluto. Por essa característica, essas bactérias são chamadas de Bacilos Álcool-Ácido Resistentes (BAAR).

A coloração de Ziehl-Neelsen consiste na aplicação do corante fucsina fenicada (solução de fucsina e fenol) sobre o esfregaço e aquecê-lo (esse aquecimento do esfregaço permite a entrada da fucsina através da parede da célula). Em seguida, o esfregaço é lavado com uma solução de álcool-ácido (etanol e ácido clorídrico a 3%) e então é submetido a outro corante, normalmente, azul de metileno. Após a realização da técnica, as bactérias que forem álcool-ácido resistentes (AAR) não se descoram com a solução de álcool-ácido e permanecem coradas de vermelho (cor da fucsina), e as que não forem AAR se descoram e, depois, se coram de azul (cor do azul de metileno).

Veja na Figura 11 os reagentes usados nessa técnica de coloração, na Figura 12 os passos da técnica e, na Figura 13, a visualização microscópica de bactérias AAR após serem submetidas à coloração de Ziehl-Neelsen.

Figura 11 – Reagentes utilizados na coloração de Ziehl-Neelsen

Fonte: Laboratório de Bacteriologia – UFRN

a

g

fed

cb

Placa aquecedora


Figura 12 – Coloração de Ziehl-Neelsen. a) Adição da fucsina sobre o esfregaço e aquecimento em uma placa aquecedora; b) lavagem do esfregaço com água; c) adição da solução de álcool-ácido; d) lavagem com água; e) adição do azul de metileno; f) lavagem com água; g) secar com papel de fi ltro

Fonte: Adaptado de Vermelho et al (2006).

Figura 13 – Mycobacterium tuberculosis coradas pela técnica de Ziehl-NeelsenFonte: <www.craigleithhill.co.uk/craigleith_house.html>. Acesso em:

23 nov. 2009.

Atividade 6


Coloração de Ziehl-Neelsen

Objetivos:

� Corar um esfregaço através da técnica de coloração de Ziehl-Neelsen;

� Entender o mecanismo da técnica de coloração de Ziehl-Neelsen.

Materiais:

» Esfregaços de bactérias álcool-ácido resistentes;

» Reagentes para a coloração de Ziehl-Neelsen;

» Microscópios ópticos;

» Óleo de imersão.

Procedimento:

1) Coloque o esfregaço sobre o suporte;

2) Cubra o esfregaço com a solução de fucsina fenicada;

3) Com o auxílio da chama do bico de Bunsen ou de uma placa aquecedora, aqueça a lâmina pela sua parte inferior até que comece a desprender vapor, não deixando ferver nem secar. Repetir essa operação até completar três emissões sucessivas. Porém, esse procedimento deve demorar em torno de 5 minutos;

4) Despreze o corante dentro do recipiente apropriado;

5) Lave a lâmina com a solução de álcool-ácido até não sair mais corante;

6) Lave com água;

7) Cubra a lâmina com o azul de metileno e deixe agir por 30 segundos;

8) Despreze o corante;

9) Lave com água;

1

2


10) Deixe a lâmina secar ao ar;

11) Pingue uma gota de óleo de imersão sobre o esfregaço corado e observe ao microscópio óptico utilizando a objetiva de 100×;

12) Faça um desenho dentro do círculo do que você observou na sua lâmina e responda às perguntas a seguir.

Qual é a cor que a bactéria adquiriu após essa técnica de coloração? Justifi que sua resposta.

Qual é a forma da bactéria que você observou?

Resumo

1

2

3

4


Nesta aula, você fi cou sabendo que, embora os microrganismos não sejam visíveis a olho nu, é possível observá-los com o uso de corantes e microscópios adequados ao que se deseja observar. Você aprendeu, ainda, que existem corantes e técnicas de colorações específi cas para a visualização de estruturas microbianas, como por exemplo a cápsula para a detecção de atividades celulares como a motilidade e, ainda, para se observar a forma e o arranjo das células. Você viu que a técnica de coloração de Gram é uma das técnicas mais utilizadas na Microbiologia e é usada para diferenciar as bactérias Gram positivas das Gram negativas, e que a técnica de Ziehl-Neelsen é usada para identifi car duas espécies de bactérias importantes como a Mycobacterium tuberculosis e Mycobacterium leprae que causam, respectivamente, as doenças tuberculose e hanseníase no homem.

AutoavaliaçãoDiferencie a coloração simples da coloração diferenciada.

O que caracteriza um corante básico e um ácido?

Por que as bactérias Gram positivas fi cam roxas e as Gram negativas fi cam rosas após a coloração de Gram?

Qual a utilização da coloração de Ziehl-Neelsen?

Anotações


ReferênciasBLACK, Jaquelyn G. Microbiologia fundamentos e perspectivas. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2002.

OKURA, M. H.; RENDE, J. C. Microbiologia roteiros de aulas práticas. Riberão Preto: Editora Tecmedd, 2008.

SILVA FILHO, G. N.; OLIVEIRA, V. L. Microbiologia manual de aulas práticas. 2. ed. Florianópolis: Editora da UFSC, 2007.

VERMELHO, A. B. et al. Práticas de microbiologia. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2006.

Anotações


Nutrição e crescimento microbiano

4Aula

1

2

3

5

4


Apresentação

Na Aula 1 (Comparando células procarióticas e células eucarióticas), você aprendeu a caracterizar morfologicamente as células procarióticas. Agora, você irá aprender como essas células crescem e quais os fatores nutricionais e físicos que determinam esse

evento. Quando falamos em crescimento microbiano, estamos nos referindo ao número e não ao tamanho das células. Portanto, crescimento microbiano signifi ca reprodução, ou seja, os microrganismos se multiplicam e aumentam o número de suas células. Você perceberá que, conhecendo as condições necessárias ao crescimento microbiano, podemos determinar como controlar os microrganismos que causam doenças ou que degradam os alimentos, assunto que você verá com mais detalhes na Aula 6 (Controlando os microrganismos). Podemos também usar essa informação para estimular o crescimento de um microrganismo que estamos particularmente interessados em cultivar. Você estudou o cultivo “in vitro” de microrganismos na Aula 3 (“Vendo” o invisível). Enfi m, nesta aula você conhecerá os fatores físicos e químicos necessários para os microrganismos crescerem e se estabelecerem em um dado ambiente.

ObjetivosConhecer as exigências nutricionais para o crescimento microbiano.

Explicar, em termos gerais, como os elementos químicos são utilizados para o desenvolvimento das células microbianas.

Descrever como os microrganismos procarióticos se reproduzem.

Identifi car uma curva típica de crescimento microbiano.

Reconhecer as condições físicas necessárias para o crescimento microbiano.


De que os microrganismosse nutrem?

De todos os organismos vivos, os microrganismos são os mais versáteis e diversifi cados em suas exigências nutricionais, ou seja, podem utilizar desde compostos químicos simples, como CO

2, até compostos orgânicos mais complexos, como carboidratos

e proteínas. Para se multiplicarem em um ambiente, os microrganismos devem encontrar nesse ambiente todas as substâncias requeridas para a geração de energia e para a síntese dos seus componentes celulares (Na Aula 5, Obtenção de energia para a vida microbiana, você aprenderá como os microrganismos produzem energia). Esses elementos requeridos são chamados de nutrientes e existem na natureza em uma grande variedade de compostos inorgânicos e orgânicos.

Basicamente, cada microrganismo utiliza os nutrientes presentes no seu habitat natural. Porém, quando são removidos do seu meio para serem cultivados em laboratório, é necessário que se forneça esses mesmos nutrientes encontrados no ambiente natural. Consegue-se isso através da utilização dos meios de cultivo (reveja a defi nição de meio de cultivo na Aula 2, Trabalhando no Laboratório de Microbiologia). Veja abaixo os principais elementos químicos necessários para o crescimento microbiano.

Carbono – é um dos elementos químicos mais importantes para o crescimento microbiano. É o principal constituinte das três maiores classes de nutrientes orgânicos: os carboidratos, os lipídeos e as proteínas. Esses compostos são usados como fonte de energia e servem como unidade básica dos componentes celulares como parede celular, membrana citoplasmática etc. Os microrganismos que utilizam compostos orgânicos e CO2 como sua principal fonte de carbono são chamados de Heterotrófi cos e Autotrófi cos, respectivamente (você conhecerá mais sobre esses termos na Aula 10, Os microrganismos auxiliam a (re)circulação da matéria no planeta).

Nitrogênio – esse elemento é parte essencial dos aminoácidos, os quais formam as proteínas. Ao contrário das células eucarióticas, algumas bactérias podem utilizar nitrogênio gasoso ou atmosférico para a síntese celular por meio de um processo chamado fi xação de nitrogênio (você aprenderá mais sobre esse fenômeno na Aula 10). Outras utilizam compostos nitrogenados inorgânicos, tais como nitratos, nitritos ou sais de amônia, e ainda podem utilizar compostos nitrogenados orgânicos, tais como aminoácidos ou peptídeos.

Hidrogênio, Oxigênio, Enxofre e Fósforo – o hidrogênio e o oxigênio fazem parte de muitos compostos orgânicos como, por exemplo, a glicose. O enxofre é necessário para a biossíntese dos aminoácidos, como a cisteína, cistina e metionina. Esses aminoácidos formarão as proteínas. O fósforo é essencial para a síntese de ácidos nucleicos (DNA e RNA) e para a molécula de ATP. Esse último composto é muito importante para o armazenamento e transferência de energia para a célula (você verá como os microrganismos sintetizam essa molécula na Aula 5).

Atividade 1


Oligoelementos – os chamados oligoelementos ou elementos-traço são aqueles que são requeridos em pequena quantidade. Podemos citar, por exemplo, o zinco (Zn+2), o cobre (Cu+2), o manganês (Mn+2), o molibdênio (Mo+6) e o cobalto (Co+2). O principal papel desses elementos é na ativação de enzimas importantes para o metabolismo dos microrganismos. As vitaminas como o ácido fólico, a B

12 e a vitamina K também são importantes na ativação de

enzimas. Alguns microrganismos podem sintetizar algumas vitaminas para seu metabolismo e essas podem inclusive serem utilizadas pelo homem.

A bactéria Escherichia coli, que está presente no intestino humano, benefi cia seu hospedeiro produzindo a vitamina K, a qual ajuda na coagulação sanguínea.

Baseado no que você aprendeu sobre os fatores químicos necessário para o crescimento microbiano, preencha o quadro a seguir.

ELEMENTO QUÍMICO FUNÇÃO NO CRESCIMENTO MICROBIANO

CARBONO

NITROGÊNIO

HIDROGÊNIO

OXIGÊNIO

FÓSFORO

OLIGOELEMENTOS


Crescimento microbianoComo já foi dito a você, o termo crescimento microbiano é diferente do que usamos

na linguagem cotidiana, na qual nos referimos ao aumento de tamanho. As crianças, outros animais e vegetais crescem, ou seja, aumentam de tamanho, mas os organismos unicelulares no máximo dobram de tamanho e logo se dividem em duas novas células. Dessa forma, crescimento microbiano é sinônimo de multiplicação microbiana, ou seja, aumento do número de células, e não de tamanho. Assim como determinados elementos químicos (nutrientes) são exigidos ao crescimento microbiano, determinados fatores físicos também são indispensáveis. Antes de falarmos dessas exigências ambientais, vamos aprender como os microrganismos procarióticos se multiplicam?

Multiplicação das células procarióticasA divisão celular nas bactérias, diferentemente daquela nos seres eucariontes, ocorre por

um processo assexuado, ou seja, sem o envolvimento de células sexuais (gametas). A maioria das bactérias de dividem pelo processo de divisão binária ou às vezes por brotamento.

Divisão binária – processo em que uma célula parental se divide em duas outras células idênticas. Anteriormente à divisão, o conteúdo celular se duplica, e o cromossoma é replicado (você verá detalhes da replicação do cromossoma bacteriana na Aula 7, (A genética dos microrganismos). Nesse momento a célula parental aumenta, a membrana citoplasmática se estende e os cromossomas recém-duplicados se separam. Após esse evento, ocorre uma invaginação, formando um septo na membrana e na parede celular, dividindo a célula parental em duas novas células idênticas. Algumas células não se separam completamente e permanecem acopladas, formando arranjos em forma de cadeia, tétrades, duplas etc. (reveja os diferentes tipos de arranjos que as bactérias podem formar na Aula 1). Veja na Figura 1 as diferentes etapas da divisão celular.

Parede celular

Alongamento da célulae replicação do DNA

Início da divisão daparede celular e damembrana plasmática

Formação das paredesem torno das regiõescontendo DNA replicado

Separaçãodas células

Membrana plasmática

DNA


Brotamento – processo no qual uma pequena protuberância cresce em uma extremidade da célula. Esse brotamento aumenta e se separa da célula parental. As leveduras (fungos unicelulares) também se dividem por brotamento. Veja a Figura 2.

Fonte: Tortora, Funke e Case (2005).

Figura 2 – Brotamento em levedura

Fonte: <http://blogosferagg.blogspot.com/2009/06/reino-fungi.html>. Acesso em: 10 dez. 2009.

Figura 1 – Etapas da divisão de uma célula bacteriana

Atividade 2


Faça um desenho esquemático das etapas da divisão binária de uma célula procariótica e descreva o que acontece em cada etapa.

Cada centímetro da nossa pele hospeda, em média, 100.000 organismos. As bactérias se reproduzem tão rápido que sua população é restaurada dentro de algumas horas após a lavagem.

Lag Log

Log

- nº

de

célu

las

Estacionária Declínio

tempo em horas


Os microrganismos também passam por fases de crescimento

Quando um microrganismo cresce em um meio de cultivo rico em nutrientes, ele passa por quatro principais fases de crescimento: 1) fase lag, 2) fase log ou logarítmica, 3) fase estacionária e 4) fase de declínio ou de morte. Essas fases formam a curva de crescimento bacteriano.

Fase lag – Essa fase é uma fase de adaptação do microrganismo ao meio. Ele não se multiplica, porém, está em intensa atividade metabólica, ou seja, produzindo energia na forma de ATP, enzimas e várias outras moléculas. Essa fase é também denominada de latência e o tempo de duração depende das condições do meio e da espécie microbiana.

Fase log – É nessa fase que ocorre a divisão celular de fato e a população dobra de tamanho. Cada espécie leva um tempo geneticamente determinado para se dividir e esse intervalo é denominado de tempo de geração. Nessa fase, as células crescem em velocidade exponencial ou logarítmica (log), ou seja, a população dobra a cada tempo de geração. Por exemplo, uma cultura contendo 1.000 organismos com um tempo de geração de 20 minutos conteria 2.000

organismos após 20 minutos, 4.000 após 40 minutos e 8.000 após 60 minutos (1 hora).

Fase estacionária – Fase em que as novas células são produzidas com a mesma velocidade com que as células antigas morrem e assim o número de células vivas permanece constante.

Fase de declínio (morte) – Nessa fase ocorre uma redução do número de células vivas, pois muitas perdem a capacidade de se multiplicar e morrem. Isso ocorre porque o meio de cultivo vai fi cando cada vez mais desfavorável à multiplicação, pois os nutrientes se tornam escassos e também há um acúmulo de resíduos tóxicos, originados pelo próprio metabolismo microbiano. Veja na Figura 3 um gráfi co representando uma curva de crescimento típica.

Figura 3 – Etapas da divisão de uma célula bacteriana

Fonte: <http://vsites.unb.br/ib/cel/microbiologia/crescimento/crescimento.html>. Acesso em: 10 dez. 2009.

Atividade 3

1

2

3

Tempo

Nº decélulas 4


Em condições ideais de crescimento, a espécie bacteriana Escherichia coli possui um tempo de geração de até 12,5 minutos, e a Mycobacterium tuberculosis, agente etiológico da tuberculose, possui um tempo de geração de 13 a 15 horas, ou seja, essa última espécie levará muito mais tempo para ter sua população dobrada de tamanho em um determinado meio.

Observe o gráfi co abaixo de uma curva de crescimento bacteriano e descreva o que ocorre em cada fase indicada pelos números 1, 2, 3 e 4.

1 ______________________

2 ______________________

3 ______________________

4 ______________________

Atividade 4


Fatores físicos que afetamo crescimento microbiano

Como você já sabe, os microrganismos estão praticamente em todos os ambientes da terra, inclusive em ambientes nos quais nenhuma outra forma de vida pode sobreviver. Isso ocorre por causa do seu pequeno tamanho, de serem facilmente dispersáveis, ocuparem pouco espaço e ainda por serem bastante diversifi cados quanto as suas exigências nutricionais. Assim, para praticamente qualquer substância, há um microrganismo que pode utilizá-la como nutriente e ainda para praticamente qualquer mudança ambiental, há algum microrganismo que pode sobreviver.Diferentes espécies de microrganismos podem crescer em ambientes que podem variar desde extremamente ácidos até os alcalinos, no gelo da Antártida às fontes termais, em água pura ou em pântanos e até mesmo em fendas de vapor fervente no fundo do oceano. Então, cada espécie possui seu crescimento infl uenciado por um conjunto de características físicas do ambiente como, por exemplo, pH, temperatura, concentração de oxigênio, umidade, pressão osmótica etc. Vamos então entender como esses fatores infl uenciam no crescimento dos microrganismos.

pH – Esse termo signifi ca “potencial hidrogeniônico”, ou seja, é a quantidade de H+ em uma solução e representa a acidez ou a alcalinidade de um meio. Os valores de pH variam de 0 a 14. O valor 7 representa um meio neutro, abaixo desse valor o meio é considerado ácido e acima, básico. De acordo com sua tolerância à acidez ou à alcalinidade, os microrganismos podem ser classifi cados em: acidófi los (organismos que têm tolerância por meios ácidos; pH de 0,1 a 5,4), neutrófi los (organismos que têm tolerância por meios neutros; pH de 5,4 a 8,5) ou alcalófi los (organismos que têm tolerância por meios alcalinos; pH de 7 a 11,5). As bactérias de um modo geral crescem melhor em pH variando de 4 a 9 e os fungos em pH mais baixos entre 5 e 6.

De acordo com o que você aprendeu, complete o quadro abaixo.

Acidófi lo

Neutrófi lo Organismos que têm tolerância por meios neutros

Alcalófi lo

Atividade 5


Temperatura – Os microrganismos podem variar muito quanto a sua tolerância à temperatura. De acordo com esse fator, os microrganismos podem ser classifi cados em: psicrófi los (organismos que gostam do frio; crescem melhor entre 15 e 20 C̊), mesófi los (crescem melhor entre 25 e 40 C̊) e termófi los (organismos que gostam do calor; crescem melhor entre 50 e 60 C̊). Nenhum psicrófi lo sobrevive no corpo humano, mas alguns são conhecidos por causarem deterioração em alimentos refrigerados. A maioria das bactérias que causam doença no homem são termófi las, pois crescem a uma temperatura próxima à do corpo humano (37 C̊).

De acordo com o que você aprendeu, complete o quadro abaixo.

Psicrófi los

Mesófi los Organismos que crescem melhor entre 25 e 400C

Termófi los

Oxigênio – Estamos acostumados a pensar no oxigênio molecular (O2) como um

elemento essencial à vida, mas em algumas circunstâncias esse elemento pode se tornar um gás venenoso, como, por exemplo, pode acontecer com alguns microrganismos. Esses, de acordo com sua tolerância ao oxigênio, podem ser classifi cados em aeróbios obrigatórios (necessitam de oxigênio para crescer), anaeróbios facultativos (crescem tanto na presença como na ausência de oxigênio), anaeróbios obrigatórios (não sobrevivem na presença de oxigênio) e microaerófi los (crescem na presença de oxigênio, porém, em concentrações inferiores àquelas do ar).

Essa tolerância ao oxigênio é determinada pela capacidade do microrganismo de produzir algumas enzimas que degradam os produtos tóxicos formados no meio composto por oxigênio molecular (O

2), como, por exemplo, o radical superóxido (O

2–), o peróxido de hidrogênio e o

radical hidroxila (OH). Os microrganismos que conseguem sobreviver na presença do oxigênio molecular (O

2) é porque escapam da toxicidade desses compostos produzindo enzimas que

convertem os compostos tóxicos em outros não tóxicos. Essas enzimas são a superóxido dismutase, a catalase e a peroxidase. A superóxido dismutase converte o radical superóxido em peróxido de hidrogênio e oxigênio molecular. Veja a equação abaixo.

a. Aeróbicos

obrigatórios

Somente crescimento aeróbico; necessidade de oxigênio.

Crescimento somente após a difusão de altas concentrações de oxigênio para o meio de cultura.

Presença das enzimas catalase e superóxido dismutase (SOD) permite a neutralização das formas tóxicas de oxigênio; pode usar oxigênio.

Efeito do oxigênio sobre

o crescimento

Tubo de ensaio com

crescimento bacteriano

em meio sólido

Explicação para os padrões

de crescimento

Explicações para os efeitos

do oxigênio

b. Anaeróbicos

facultativos

Crescimento aeróbico e anaeróbico; aumento do crescimento na presença de oxigênio.

Melhor crescimento nas regiões de maior concentração de oxigênio, mas ocorre em todo o meio.

Presença das enzimas catalase e SOD permite a neutralização das formas tóxicas de oxigênio; pode usar oxigênio.

c. Anaeróbicos

obrigatórios

Somente crescimento anaeróbico; não há crescimento na presença do oxigênio.

Crescimento nas regiões onde não há oxigênio.

Ausência das enzimas que neutralizam as formas tóxicas do oxigênio; não tolera oxigênio.

d. Microaerófilos

Somente crescimento aeróbico; necessidade de oxigênio em baixas concentrações.

Crescimento ocorre onde uma baixa concentração de oxigênio está difusa no meio.

Produção de quantidades letais das formas tóxicas de oxigênio quando expostos à atmosfera normal de oxigênio.


Figura 4 – Efeito do oxigênio sobre o crescimento de diferentes bactérias


A catalase e a peroxidase convertem o peróxido de hidrogênio em oxigênio e água e somente água, respectivamente. Veja as equações abaixo.

2H2O

2 Catalase 2H2O + O

2

Peróxido de hidrogênio

Água Oxigênio


Água

H2O

2 + 2 H+ Peroxidase 2H

2O

Os anaeróbios obrigatórios não conseguem crescer na presença do oxigênio molecular (O

2) porque não produzem essas enzimas e morrem na presença desses compostos tóxicos.

Veja na Figura 4 o efeito do oxigênio sobre o crescimento dos microrganismos.

Radical superóxido


OxigênioO

2– + O

2– + 2 H+ superóxido dismutase 2H

2O

2 + O

2

Atividade 6

Solução isotônica

quando a concentração de solutos é igual dentro e

fora da célula.

Solução hipertônica

quando a concentração de solutos do meio é maior

do que a do interior da célula.

Hipotônico

Solução hipotônico: quando a concentração de

solutos do meio é menor do que a do interior

da célula.


De acordo com o que você aprendeu, responda: por que alguns microrganismos não conseguem sobreviver na presença do oxigênio?

Pressão osmótica – Esse termo é defi nido como a pressão necessária para impedir o fl uxo de água de um meio de maior concentração para um de menor concentração através de uma membrana semipermeável.

Os microrganismos retiram da água, presente em seu meio ambiente, a maioria dos seus nutrientes solúveis. Portanto, eles necessitam de água para seu crescimento e seu conteúdo celular é composto de cerca de 80 a 90% de água. Dessa forma, quando uma célula microbiana está num meio aquoso, não devem existir grandes diferenças na concentração de solutos dentro e fora, ou as células poderiam perder água ou romper-se.

Quando uma célula está em uma solução isotônica, o fl uxo de água para dentro e para fora da célula está em equilíbrio e a célula cresce normalmente. Porém, a água presente dentro da célula pode ser removida por elevações na pressão osmótica. Por exemplo, quando uma célula microbiana se encontrar em uma solução hipertônica, ou seja, contendo uma concentração de solutos superior àquela do interior da célula, ocorrerá a passagem de água de dentro da célula para o meio através da membrana plasmática e o crescimento microbiano será inibido. Esse fenômeno de perda de água pela célula é chamado de plasmólise. Ao contrário, quando o meio é hipotônico contendo uma concentração menor de solutos, a água fl ui para dentro da célula rompendo-a. Veja na Figura 5 uma célula em uma solução isotônica, hipotônica e hipertônica.

Atividade 7

Solução hipertônica

(hiperosmótica) -

a água se move para fora da célula,fazendo sua membrana plasmáticaencolher (plasmólise)

c

Solução hipotônica (hiposmótica) -

a água se move para dentro dacélula e pode causar sua ruptura se a parede estiver fraca ou danificada(liseosmótica)

ba

Paredecelular

SolutoMembranaplasmáticaCitoplasma

Solução isotônica (isosmótica) -

sem movimento total de água


Figura 5 – Uma célula em uma solução a) isotônica, b) hipotônica e c) hipertônica


Baseado no que aprendeu, responda: por que você acha que salgando a carne, ela dura mais tempo, mesmo fora da geladeira?

Entenda que os mesmos fatores que afetam o crescimento microbiano podem ser utilizados como estratégias para controlar os mesmos, desde que você altere as condições ótimas de cada fator. Por exemplo, quando colocamos um alimento na geladeira estamos impedindo que os microrganismos mesófi los cresçam nesse alimento, pois esses microrganismos não crescem na temperatura da geladeira, que é em torno de 4 C̊.

Resumo

1

2

3

4

5

6

7


Nesta aula, você aprendeu que o crescimento microbiano pode ser defi nido como um aumento no número de células, e não um aumento de tamanho. Você aprendeu, também, que os microrganismos procarióticos se multiplicam por um mecanismo chamado de divisão binária, no qual uma célula parental se parte em duas células idênticas e que algumas espécies podem se multiplicar por outro mecanismo chamado de brotamento. E, ainda, que durante seu crescimento, o microrganismo passa por diferentes fases. Finalmente, você compreendeu que cada espécie microbiana possui exigências próprias com relação a fatores nutricionais e físicos para seu crescimento. Por fi m, você compreendeu que os mesmos fatores que afetam o crescimento microbiano podem ser usados para controlar seu crescimento.

AutoavaliaçãoExplique o que é crescimento microbiano.

Qual o signifi cado do crescimento exponencial de uma cultura microbiana?

Discuta a utilização nutricional do carbono e do nitrogênio pelos microrganismos.

Descreva como os microrganismos aeróbios, anaeróbios e facultativos crescem em meio de cultivo com ágar de camada alta.

Se uma espécie microbiana é produtora da enzima superóxido dismutase, o que se pode dizer sobre sua fi siologia?

Quais as principais condições físicas que devem ser consideradas no cultivo dos microrganismos?

O que é pressão osmótica e como ela afeta o crescimento das células microbianas?

Anotações


ReferênciasBLACK, J. G. Microbiologia fundamentos e perspectivas. 4. ed. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Koogan, 2002.

PELCZAR, M. J. et al. Microbiologia: conceitos e aplicações. São Paulo: Makon Books, 1996.


Anotações


Obtenção de energia para a vida microbiana

5Aula

1

2

3

4


Apresentação

Você estudou na Aula 4, Crescendo na diversidade, que o crescimento dos microrganismos depende das condições ambientais. Dentre essas condições está o suprimento de energia que os seres necessitam para seu metabolismo. Agora,

você vai se surpreender com a variedade de substratos e modos de obtenção de energia utilizados pelos microrganismos.

Nesta aula, vamos identifi car alguns desses substratos. Vamos também descrever e distinguir os processos de obtenção de energia pelos microrganismos, que incluem a fermentação, a respiração aeróbica e a respiração anaeróbica. Outro processo, a fotossíntese, será estudado posteriormente em outra aula. Ao fi nal, você entenderá que os microrganismos apresentam uma diversidade metabólica muito superior à dos organismos macroscópicos, como plantas e animais. Essa diversidade é uma fonte riquíssima de produtos a serem utilizados pelos humanos. Vamos descobrir!

ObjetivosListar os tipos de substratos que podem ser utilizados por microrganismos como fonte de energia.

Distinguir os diferentes processos de obtenção de energia pelos microrganismos.

Descrever resumidamente a respiração aeróbica, a respiração anaeróbica e a fermentação.

Identifi car algumas diferenças da respiração aeróbica em procariotos e eucariotos.

Metabolismo

conjunto de todas as reações bioquímicas que ocorrem em uma célula ou organismo.

Substrato

substância ou material que serve de base ou suporte. Nesse caso, substrato é a substância doadora de elétrons no processo de oxidação que fornece energia para a célula.

Atividade 1


Os seres vivos estãosempre precisando de energia

Iniciaremos esta aula refl etindo por que os microrganismos precisam de energia. Baseado no que você reconhece como funções básicas de todo ser vivo, liste quais atividades da célula microbiana requerem energia.

Sua lista provavelmente contém algumas das seguintes atividades: mobilidade através do movimento de fl agelos; transporte de substâncias do meio para o interior da célula (absorção de nutrientes) e da célula para o meio (excreção de resíduos e secreção de substâncias ativas); reprodução; reparo de danos e manutenção da integridade celular; manutenção da pressão osmótica constante na célula; bioluminescência. Além de todas essas atividades, as células precisam de energia para a biossíntese de novas macromoléculas, que é o trabalho de maior demanda energética da célula.

Na biossíntese, moléculas orgânicas complexas são sintetizadas a partir de moléculas mais simples. Exemplos de processos biossintéticos são a formação de proteínas a partir de aminoácidos, ácidos nucleicos a partir de nucleotídeos e polissacarídeos a partir de monossacarídeos. A síntese de macromoléculas é necessária para a formação de componentes celulares, tais como parede celular, membrana citoplasmática, fl agelos, citoplasma etc.

Bioluminescência

A emissão de luz da cadeia de transporte de elétrons de certos organismos vivos (a

cadeia de transporte de elétrons será vista mais

adiante no texto dessa aula).

Atividade 2

1

2

Ribose

Adenina

AMP

ADP

ATP

N

N

CH

NH2

C

CC

HC

H

HO OH

HH H

OO CH2

–O

O –

O

O

P O~~

O –

O

P

O –

O

P

N

N


De onde a célula retira a energia necessária para todas essas atividades? Você já deve ter ouvido falar em um composto chamado adenosina trifosfato ou trifosfato de adenosina, o ATP. A molécula de ATP (Figura 1) acumula ligações de alta energia dentro da célula. Quando a célula precisa realizar a biossíntese ou outra atividade celular, a energia necessária é cedida pelas moléculas de ATP.

Essas moléculas são formadas por adenina (uma base nitrogenada), ribose (um açúcar com cinco átomos de carbono) e três grupos fosfato. O símbolo “~” representa uma ligação de “alta energia”, que pode ser prontamente quebrada para liberar energia utilizável pela célula. Quando o ATP se degrada em ADP e fosfato inorgânico, grande quantidade de energia química é liberada para uso em outras reações químicas.

Figura 1 – Molécula de adenosina trifosfato (ATP)

Fonte: Adaptado de Barbosa e Torres (2005).

A energia química das ligações de alta energia do ATP é liberada quando o grupo fosfato terminal é retirado da molécula, resultando na formação de outro composto com menos energia. Analise a Figura 1 e descubra qual é esse composto. Depois, escreva seu nome completando a reação abaixo.

ATP → _______ + fosfato + energia

Agora, descubra qual é a reação geral de formação de ATP. Basta escrever a reação inversa da anterior:

________ + fosfato + __________ → ATP

Redução

A oxidadaA

e –

B

Oxidação

B reduzida


Vamos à produção do ATPPara saber como o ATP é produzido na célula a partir do ADP, precisamos descobrir

de onde vem a energia para essa produção. A maioria dos microrganismos retira do ambiente compostos orgânicos ou inorgânicos que serão as fontes de energia para a produção de ATP. Outros organismos usam a luz. Os microrganismos extraem a energia de uma (ou mais) dessas fontes, e transferem essa energia para o ATP. Por exemplo, muitos microrganismos usam compostos orgânicos, como carboidratos, proteínas ou lipídios como fonte de energia. Primeiro, os microrganismos assimilam esses compostos do ambiente. Em seguida, as células oxidam (veja a Figura 2) esses substratos, extraindo deles a energia para produzir ATP. Dessa maneira, os microrganismos convertem diferentes fontes de energia em uma “moeda energética” única, que é o ATP.

Em eventos de oxidação-redução, um elétron é transferido da molécula A para a molécula B. A molécula A, que perde elétrons, é oxidada. A molécula B, que ganha elétrons, é reduzida. Muitas vezes, a reação de oxidação-redução (também chamada reação redox) produz energia, como é o caso da oxidação biológica.

Figura 2 – Oxidação-redução

Fonte: Adaptado de Tortora, Funke e Case (2002).

E quais são os processos através dos quais as células oxidam os substratos, extraindo deles a energia que é transferida para o ATP? Os microrganismos produzem ATP oxidando diferentes substâncias através da respiração ou fermentação. Na respiração, que pode ser aeróbica ou anaeróbica, substâncias orgânicas ou inorgânicas podem ser fonte de energia, dependendo do microrganismo. Na fermentação, a energia é retirada apenas de substâncias orgânicas, ao passo que na fotossíntese a fonte de energia é a luminosa.

Atividade 3


Mas, lembre-se de que esses modos de obtenção de energia não acontecem todos em uma mesma célula. Assim como os animais, muitas bactérias, os fungos e os protozoários utilizam a respiração ou também a fermentação para obter ATP. Já as algas e várias bactérias, assim como as plantas, utilizam essencialmente a fotossíntese. A seguir, descreveremos essas formas de obtenção de energia, exceto a fotossíntese, que será estudada em outra aula. Antes de prosseguir, resolva a Atividade 3.

Resuma na tabela a seguir as informações que você acabou de estudar.

Processo deobtenção de energia Microrganismos Origem da energia

Respiração aeróbica

Respiração anaeróbica Composto orgânico ou inorgânico

Fermentação

Fotossíntese

Bactérias verdes

Bactérias púrpuras

Cianobactérias

Algas

Respiração aeróbicaVeremos agora uma série de reações necessárias à respiração celular aeróbica, ou seja,

que ocorre apenas em ambientes onde o oxigênio está presente. A respiração aeróbica se dá em três etapas, de forma semelhante em eucariotos (incluindo animais e plantas superiores) e procariotos aeróbicos. Algumas diferenças existem. Vamos descobrir.

Nós demoramos vários minutos para compreender como a respiração celular acontece; mas

dentro célula, tudo isso ocorre em algumas poucas frações de segundos!

Atividade 4

H

HH C

C

C C

CC

HH

HH

H

H

Hidrogênio

Carbono

Oxigênio

H

HHOO

OO

O

O


Microrganismos gostam de glicoseVocê leu há pouco que substâncias orgânicas como carboidratos, proteínas ou lipídios

podem ser usadas como fonte de ATP pela célula. A maioria dos microrganismos utiliza carboidratos, sobretudo a glicose como a principal fonte de energia celular. A glicose é o carboidrato mais abundante na natureza. Para compreender a respiração aeróbica, vamos estudar como esse processo ocorre usando a glicose como modelo de substrato. A respiração aeróbica usando a glicose acontece em três etapas sucessivas: a glicólise, o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória. Veremos essas etapas logo mais.

Figura 3 – Molécula de glicose

Fonte: <http://science9.wordpress.com/2007/04/>. Acesso em: 7 out. 2009.

Analise a Figura 3 e complete a fórmula da molécula de glicose, indicando o número de átomos de cada elemento:

C__H__O__

Atividade 5


Nós, humanos, assim como muitas bactérias, fungos e protozoários, precisamos obter a glicose para a respiração a partir dos alimentos disponíveis no meio. Microrganismos retiram a glicose do solo, da água, de tecidos animais e plantas onde se hospedam. Pesquise sobre a glicose em livros ou na internet e faça uma lista de alimentos que são ricos desse carboidrato.

Quebrando o açúcar na glicóliseVimos que a glicólise é a primeira etapa da respiração aeróbica. Glicólise signifi ca “quebra

do açúcar”, e é exatamente o que acontece. Nesse processo, a glicose, que é um açúcar composto por seis átomos de carbono, é quebrada em duas moléculas de um açúcar contendo três carbonos cada, chamado piruvato ou ácido pirúvico. Esse processo gera energia, usada para produzir duas moléculas de ATP. Aqui, o ATP é formado quando um fosfato de alta energia é diretamente transferido de um composto fosforilado (um substrato, no caso a glicose) para a molécula de ADP. A formação do ATP por essa via é chamada fosforilação em nível de substrato, e pode ser representada no seguinte exemplo:

C-C-C~fosfato + ADP → C-C-C + ATPSubstrato orgânico

O que mais acontece na glicólise? Lembre-se de que o objetivo da respiração é produzir ATP. Nessa primeira etapa da respiração, cada molécula de glicose oxidada gera um rendimento de apenas duas moléculas de ATP. Isso é pouco para a célula. Mas, a função da glicólise não para por aí: a maior parte da energia da molécula de glicose está contida nos seus elétrons. Lembre-se de que um composto é oxidado quando perde elétrons. Na glicólise, a molécula de glicose é oxidada. Ou seja, os elétrons ricos em energia da glicose são extraídos e transferidos para outra molécula, chamada NADNAD+. Quando o NAD+ recebe esses elétrons energizados, ele se converte em NADHNADH.

NADNAD+

Abreviação do nome da molécula transportadora de elétrons chamada nicotinamida adenina dinucleotídeo (forma oxidada).

NADHNADH

Abreviação do nome da molécula transportadora de elétrons chamada nicotinamida adenina dinucleotídeo (forma reduzida).

Atividade 6

1

Redução

Oxidação

(próton)

Molécula orgânicaoxidada

Molécula orgânicaque inclui dois átomos

de hidrogênio

NADH + H+ (próton)(transportador deelétron reduzido)

H+

H+ e–

H

Coenzima NAD + (transportador de elétron)


Veja a Figura 4. Ela representa a oxidação biológica. Dois elétrons e dois prótons (juntos equivalem a dois átomos de hidrogênio) são transferidos de uma molécula orgânica para uma coenzima, NAD+. NAD+, na realidade, recebe um átomo de hidrogênio e um elétron, e um próton é liberado no meio. NAD+ é reduzido a NADH, que é uma molécula mais rica em energia.

Figura 4 – Representação da oxidação biológica


Na glicólise, duas moléculas de NADH são formadas para cada molécula de glicose oxidada. E qual é a função do NADH? É a de carreador de elétrons ricos em energia. Você verá adiante que a energia desses elétrons transportados pelo NADH é usada para a produção de ATP na última etapa da respiração, chamada de cadeia respiratória (ou cadeia de transporte de elétrons) e quimiosmose.

Faça aqui uma relação dos produtos resultantes da glicólise, a primeira etapa da respiração. Considere o número de moléculas resultantes para cada molécula de glicose que entra no processo.

Produto formado Número de moléculas produzidas

1.

2.

3.

2

GLICÓLISE

Glicose

Passo preparatório

2 NADH

+2H+

2 Acetil CoA

2 NADH

+2H+

6 NADH

2 FADH2

6 H2O

O2

6 + 12H+

2 CO2

4 CO2

6 CO2

(Total)

38 ATP(Total)

2 ATP

34 ATP

10 NADH2

2 FADH2

(Total)

+6H+

+10H+

2 Ácidopirúvico

CICLO DEKREBS

Cadeia detransportede Elétrons eQuimiosmose

Elétrons

2 ATP


Baseado no que você estudou até agora, explique com as suas palavras como ocorre a formação do NADH e qual é sua função na célula.

Continuando a quebra do açúcar:a transformação do piruvato e o ciclo de Krebs

Figura 5 – Resumo da respiração aeróbica em procariotos


Atividade 7

1


A partir de agora, passe a acompanhar o texto com a ajuda da Figura 5. A quebra da glicose vai continuar até que toda a energia desse composto tenha sido extraída e convertida em ATP. Você se lembra de que na glicólise, para cada molécula de glicose (seis átomos de carbono) que é oxidada, são produzidas duas moléculas de piruvato (três átomos de carbono), duas de ATP e duas de NADH? Agora, uma série de reações transforma cada molécula de piruvato em uma molécula de acetil coenzima-A (ou acetil Co-A), que contém dois átomos de carbono (veja a Figura 5). Os átomos de carbono que foram extraídos das duas moléculas de piruvato são liberados pela célula na forma de gás carbônico. Essa etapa é considerada preparatória ao ciclo de Krebs.

Com a formação da molécula de acetil Co-A, tem início de fato o ciclo de Krebs. As próximas etapas envolvem um ciclo de reações complexas, onde a molécula orgânica (agora na forma de acetil Co-A) continua sendo degradada. Os dois átomos de carbono que restaram da molécula de glicose são extraídos das moléculas de acetil Co-A e liberados da célula na forma de CO

2 (Figura 5).

Baseado no que você aprendeu, indique na tabela a seguir os números de átomos de carbono em cada produto formado nas sucessivas etapas da respiração celular tendo a glicose como substrato inicial.

Etapas Composto Número de átomos de carbono em cada molécula

Início da glicólise Glicose

Final da glicólise Piruvato

Etapa preparatória do ciclo de Krebs

Acetil coA

CO2

Final do ciclo de Krebs CO2

2


Agora, responda: se a molécula de glicose contém seis átomos de carbono, quantas moléculas de gás carbônico são formadas na célula para cada molécula de glicose que entra no processo de respiração? Confi ra sua resposta na Figura 5.

Repare que o substrato (a glicose, no caso) foi continuamente quebrado na glicólise, etapa preparatória e ciclo de Krebs. Ao fi nal desse ciclo, a glicose tinha sido totalmente quebrada. O que mais acontece no ciclo de Krebs e na etapa preparatória que a antecede?

Durante a transformação do piruvato em acetil Co-A, o piruvato é oxidado (perde elétrons) e o NAD+ é reduzido (ganha elétrons) a NADH. No total, são produzidas duas moléculas de NADH para cada glicose oxidada (veja a Figura 5). Já no ciclo de Krebs, as reações que transformam acetil Co -A em CO2 produzem seis moléculas de NADH e duas moléculas de FADFADH2 para cada molécula inicial de glicose. O FADH2 é formado quando a molécula de FADFAD captura os elétrons extraídos durante a oxidação do substrato. O FADH2 possui a mesma função do NADH, ou seja, a de transporte de elétrons energizados para serem usados na cadeia respiratória.

Igualmente ao que aconteceu na glicólise, elétrons ricos em energia são retirados do piruvato e do acetil Co-A, e imediatamente transferidos para as moléculas transportadoras, NAD+ e FAD, que são então convertidas em NADH e FADH2, respectivamente (veja a Figura 5). As moléculas de NADH e FADH2 produzidas na etapa preparatória e no ciclo de Krebs terão o mesmo destino daquelas produzidas na glicólise. Ou seja, os elétrons transportados por essas moléculas serão usados para a produção de ATP na última etapa da respiração, a cadeia respiratória, que veremos adiante. As reações do ciclo de Krebs produzem ainda duas moléculas de ATP para cada molécula de glicose que entra no processo de respiração (veja a Figura 5).

FADHFADH2

Abreviação do nome da molécula transportadora de elétrons chamada fl avina adenina dinucleotídeo (forma reduzida).

FADFAD

Abreviação do nome da molécula transportadora de elétrons chamada fl avina adenina dinucleotídeo (forma oxidada).

Atividade 8


Faça aqui uma relação dos produtos resultantes da etapa de transformação do piruvato (preparatória para o ciclo de Krebs), do ciclo de Krebs. Considere o número de moléculas resultantes para cada molécula de glicose que entra no processo.

Produto formado Número de moléculas

1.

2.

3.

4.

A cadeia respiratória e a quimiosmose:o que acontece com os elétronstransportados pelo NADHNADH e pelo FADHFADH2?

Lembre-se de que o objetivo da respiração é produzir ATP, que a célula usa em diversas atividades celulares. Porém, você notou que a glicólise e o ciclo de Krebs produzem poucas moléculas de ATP (apenas quatro). Por outro lado, foram produzidas dez moléculas de NADH e duas de FADH2 (veja a Figura 5). Essas moléculas carregam elétrons ricos em energia, que foram extraídos da matéria orgânica (glicose, no caso). É a energia desses elétrons que a cadeia respiratória vai usar para produzir muitas moléculas de ATP.

Todos os NADH e os FADH2 produzidos na glicólise e no ciclo de Krebs são conduzidos para a cadeia respiratória, também chamada de cadeia de transporte de elétrons (veja a Figura 6). Ela consiste de uma sequência de moléculas transportadoras associadas à membrana citoplasmática (procariotos) ou mitocondrial (eucariotos). Os NADH liberam na cadeia seus elétrons ricos em energia. Os elétrons são então transferidos na sequência de moléculas transportadoras da cadeia. Na medida em que os elétrons são passados através da cadeia, ocorre uma gradual liberação de energia, em várias etapas. Essa energia é usada para a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato através do mecanismo de quimiosmose, mostrado logo a seguir, na Figura 6.

Energia

Respiração

Fermentação

Cadeia detransporte de elétrons e quimiosmose

Fluxo de elétrons

NADH

NADH

NADH NAD+

FADH2

FAD

FMN

ATP

2 H+

ATPsintase

ATP

ATP

Q

Redução

Legenda:

Oxidação

Cyt bCyt c

1

Cyt a3

H2O

O2

12

Cyt cCyt a

Glicólise

Ciclo de Krebs

Cadeia de transporte de elétrons (inclui

bomba de prótons)

Baixa concentração de H+

Alta concentração de H+

H+ H+

MembranaCitoplasmática

Energia deluz solar ou NADH

Cadeia de transporte de elétrons

ATP

ADP + P

2

1

3


Figura 6 – Cadeia de transporte de elétrons. O diagrama na lateral indica a relação da cadeia de transporte de elétrons com o processo total da respiração



Há quatro classes de moléculas transportadoras na cadeia de transporte de elétrons: desidrogenases, proteínas ferro-enxofre, quinonas e citocromos. Com exceção às quinonas, as demais moléculas são proteínas. Há uma grande variação da composição exata das moléculas transportadoras nos diferentes organismos. Por exemplo, em eucariotos, a entrada de elétrons na cadeia de transporte de elétrons mitocondrial é feita através de apenas duas desidrogenases (NADH desidrogenase e succinato desidrogenase). Já nas bactérias existem outras desidrogenases que oferecem outras entradas alternativas para os elétrons depositados na cadeia pelos NADH produzidos na glicólise e ciclo de Krebs. Em bactérias, uma molécula transportadora particular e a ordem em que ela atua na cadeia pode diferir daquelas de outras bactérias.

No fi nal da cadeia de transportes de elétrons está o O2. A função do oxigênio na cadeia

respiratória é a de atrair os elétrons que foram entregues na cadeia pelo NADH. Ao fi nal dessa cadeia, os elétrons se unem a prótons (H+) e ao oxigênio para formar água (H

2O). Por isso, o

O2 é chamado aceptor fi nal de elétrons da respiração aeróbica (veja na Figura 6).

O mecanismo de síntese de ATP que utiliza a cadeia de elétrons é chamado de quimiosmose. A maioria do ATP gerado pela respiração aeróbica é obtida pelo mecanismo de quimiosmose, durante a fase da cadeia de transporte de elétrons. A sequência de eventos na quimiosmose está descrita a seguir (veja também a Figura 6).

1) Os elétrons energizados do NADH e do FADH2 são transferidos para as moléculas transportadoras (fl avina ou coenzima Q, por exemplo) no início da cadeia. Lembre-se de que esses transportadores estão localizados na face interna da membrana. Alguns desses transportadores na cadeia bombeiam prótons (H+) através da membrana para sua face externa. Tais moléculas transportadoras são chamadas bombas de prótons.

2) A membrana é normalmente impermeável a esses prótons. Por isso, em um determinado momento, os prótons se acumulam na face externa da membrana. Isso gera um gradiente de concentração de prótons, ou seja, uma maior quantidade de prótons na face externa em relação à interna. O excesso de H+ na face externa torna esse lado positivamente carregado em relação ao outro lado da membrana. O gradiente eletroquímico resultante gera uma reserva de energia potencial, chamada de força próton motiva.

3) Os prótons acumulados na face externa da membrana podem se difundir através da membrana exclusivamente por meio de canais formados por proteínas especiais que contêm uma enzima chamada adenosina trifosfatase (ATP sintase). Quando este fl uxo de H+ em direção ao interior da célula ocorre, energia é liberada e é utilizada pela ATP sintase para fabricar ATP.

Atividade 9


Eucariotos

Glicose

Glicólise ATP

CO2

FADH2

NADH

ATP

NADH

Piruvato Mitocôndria

Ciclo de Krebs


Procariotos

Glicose

Glicólise ATP

CO2

FADH2

NADH

ATP

NADH

Piruvato

Ciclo de Krebs


O processo de respiração aeróbica é basicamente o mesmo em qualquer célula viva, com algumas poucas variações. O local onde essas reações ocorrem, por exemplo, difere entre procariotos e eucariotos.

Analise a Figura 7 a seguir e descubra que diferenças são essas. Depois, escreva suas conclusões no espaço abaixo.

Figura 7 – Localização das etapas da respiração em eucariotos e procariotos

Fonte: Adaptado de Briggs et al. (2009)

Atividade 10

1

2


Baseado no que você acabou de aprender, complete a reação geral da respiração aeróbica:

1______+ 6 O2 + _______ + 38 P → _____ +______+_____Glicose

Analisando o metabolismo microbiano, você é capaz de explicar agora, em poucas palavras, o que acontece quando os alimentos “estragam”?

Microrganismos também extraem aenergia de substâncias inorgânicas usando o O

2

Acabamos de estudar as etapas da respiração aeróbica usando a glicose como exemplo de substrato. Já mencionamos que outras substâncias orgânicas, como proteínas e lipídios, também podem ser fonte de energia. Repare agora que procariotos podem usar também moléculas inorgânicas como fonte de energia para a síntese de ATP. Nesse caso, a energia derivada da oxidação de compostos inorgânicos como a amônia (NH

3), o nitrito (NO

2–),

o sulfeto de hidrogênio (H2S ) e íons ferro (Fe

2+) é transferida e armazenada na molécula

de ATP. A produção de ATP acontece também através de uma cadeia de transporte de elétrons e quimiosmose.


Respirando quando falta o oxigênioVimos até agora como acontece a respiração quando o aceptor fi nal de elétrons é o

oxigênio. Mas, para alguns procariotos, existem outras formas de “respirar”. Muitas bactérias usam outras substâncias no lugar do O2 ao fi nal da cadeia respiratória. Isso é a respiração anaeróbica. Essas bactérias são capazes de viver em ambientes com pouco ou nenhum oxigênio. Por isso, são chamadas de bactérias anaeróbias. Tais bactérias têm sido bastante estudadas para serem usadas em tratamentos de esgotos, como veremos em outra aula. É bom lembrar que eucariotos não têm capacidade de substituir O

2 na cadeia respiratória!

Assim como a respiração aeróbica, o processo anaeróbico também conta com uma cadeia de transporte de elétrons para gerar ATP. Para as bactérias anaeróbias, o aceptor fi nal de elétrons é geralmente inorgânico, embora compostos orgânicos (por exemplo, uma substância orgânica chamada fumarato) também podem funcionar como aceptor de elétrons na cadeia respiratória. Alguns exemplos podem ser vistos a seguir.

Tabela 1 – Exemplos de procariotos que usam compostos diferentes do O2 na respiração

Bactéria Aceptor fi nal de elétrons na respiração anaeróbicat

Pseudomonas NO3–

Desulfovibrio SO42–

Methanococcus CO2

Geobacter metallireducens Fe3+

O metabolismo anaeróbico induz muitas modifi cações no metabolismo dos procariotos. Por exemplo, várias enzimas que participam do ciclo de Krebs deixam de ser sintetizadas na ausência do O

2. Como resultado, algumas bactérias anaeróbicas sintetizam enzimas com

funções semelhantes às aeróbicas; em outras, o ciclo de Krebs ocorre apenas parcialmente; outros tipos de bactérias ainda eliminaram o ciclo de Krebs e desenvolveram outras rotas metabólicas para extrair os elétrons do substrato. A cadeia de transporte de elétrons também não é completa na respiração anaeróbica. Portanto, esse tipo de respiração apresenta um rendimento energético menor do que a respiração aeróbica. O número de moléculas de ATP formado é variável entre os organismos anaeróbicos.

Estou começando a entender por que os cientistas dizem que os procariotos apresentam

uma grande diversidade metabólica!

Atividade 11


Faça uma pesquisa em livros e na internet e descubra em quais ambientes podemos encontrar bactérias anaeróbicas. Registre no espaço abaixo os resultados de sua pesquisa.

Que bom que afermentação existe!

Outro modo de obtenção de energia por microrganismos é a fermentação. Assim como na respiração anaeróbica, a fermentação não requer o oxigênio, embora o processo possa ocorrer na presença de O

2. Nesse caso, o aceptor fi nal de elétrons é um composto orgânico

originado da própria oxidação do substrato! Ou seja, a célula encontra o aceptor fi nal no seu citoplasma, e não no ambiente (como é o caso do O

2, NO

3–, do SO

42– etc.).

A humanidade utiliza a fermentação para fabricar alimentos e bebidas há muitos séculos. O pão, por exemplo. Quem não gosta de um pão quentinho com manteiga? Para fabricar o pão, os egípcios já usavam o fermento por volta do ano 7.000 antes de Cristo! Esse ingrediente é formado por leveduras da espécie Saccharomyces cerevisiae.

Leveduras

fungos microscópicos, unicelulares e

não-fi lamentosos, com células ovais ou

esféricas.

Atividade 12


Figura 8 – Células de Saccharomyces cerevisiae observadas através de microscópio

Fonte: <http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/Y/Yeast.html>. Acesso em: 7 out. 2009.

Vamos entender a fermentação usando novamente a glicose como modelo. O processo de quebra da glicose inicia-se da mesma maneira como foi descrito para a respiração aeróbica. Lembre-se de que a primeira etapa da respiração é a glicólise. Nos microrganismos fermentadores, como leveduras e muitas bactérias, o processo tem início também pela glicólise.

Você recorda quais são os produtos formados durante a glicólise? Escreva-os aqui.

Respiração

Fermentação Ácido pirúvico(ou derivados)

2 Ácido pirúvico

Organismos

Produtos Finaisda Fermentação

Streptococcus,Lactobacillus,Bacillus

Ácido lático Etanole CO

2

Ácido propiônico,ácido acético,CO

2 e H

2

Etanol, ácido lático,ácido fórmico,butanodiol,acetoína,CO

2 e H

2

Etanol,ácido lático,ácido succínico,ácido acético,CO

2 e H

2

Ácido butírico,butanol,acetona,álcool isopropílicoe CO

2

Saccharomyces(levedura)

Propionibacterium Clostridium Escherichia,Salmonella

Enterobacter

Formação de produtos finaisda fermentação

Cadeia detransporte de elétrons e quimiosmose

NADH

NADH

ATP

ATP

ATP

ATP

NADH

2 NAD+

2

NADH

2 NAD+ 2 ADP

2 2

Glicólise

Glicose

Glicólise

Ciclo de Krebs

Ácido pirúvico

a

b


Assim como na respiração aeróbica, a oxidação do substrato (no caso a glicose) na fermentação inicia-se pela conversão da glicose em ácido pirúvico. Essa etapa é acompanhada pela produção de ATP e pela transferência de elétrons do substrato para a coenzima NAD+, gerando duas moléculas NADH (veja a Figura 8). Mas, na fermentação, ao contrário do que acontece na respiração, falta um aceptor fi nal de elétrons exógeno (retirado do meio). A falta desse aceptor fi nal de elétrons impede que os elétrons energizados sejam transferidos para uma cadeia de transporte. Assim, no segundo passo da fermentação esses elétrons são transferidos das coenzimas reduzidas (NADH) diretamente para o ácido pirúvico ou a um composto orgânico derivado deste, originado pela própria oxidação do substrato (veja a Figura 8). O composto resultante (produto fi nal da fermentação) é eliminado para o meio externo. As coenzimas (NAD+) são então regeneradas para participarem de nova glicólise.

Figura 9 – Representação do processo de fermentação. O diagrama indica a relação da fermentação e da respiração. a) Visão geral da fermentação. b) Produtos fi nais de várias fermentações microbianas


Atividade 13


Analise e Figura 8 e compare a respiração com a fermentação. Quais etapas da respiração faltam na fermentação? O texto que antecede essa fi gura pode ajudá-lo a responder. Registre suas conclusões abaixo.

Sem o ciclo de Krebs, o substrato inicial é apenas parcialmente oxidado. Portanto, os produtos fi nais da fermentação, excretados no meio, são moléculas orgânicas ainda ricas em energia e podem ser utilizadas por outros organismos como fonte de energia. E como fi ca o rendimento energético para o microrganismo que usa a fermentação para obter energia? Bem, na fermentação, a produção de ATP é restrita apenas à primeira fase de oxidação do substrato. Se o substrato inicial é a glicose, apenas duas moléculas de ATP são formadas para cada molécula de glicose que entra no processo de fermentação.

Um exemplo de produto fi nal da fermentação é o álcool que dá origem à produção de cerveja, quando o substrato para o processo vem dos cereais. Todo mundo sabe que cerveja é uma bebida com elevadas quantidades de calorias, ou seja, rica em energia. Você já sabe por quê?

Atividade 14


O iogurte é uma bebida fabricada graças à fermentação do leite. Bactérias do grupo lactobacilos se alimentam do açúcar do leite e produzem uma substância azeda, chamada ácido lático. De acordo com o que você aprendeu sobre fermentação, qual é, nesse exemplo, o substrato (fonte de energia) para os lactobacilos? E qual é o aceptor fi nal de elétrons?

Leituras complementareshttp://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/2701/cadeia%20transportadora_ATPsintase.swf?sequence=1

A cadeia transportadora de elétrons e a fosforilação oxidativa: trata-se de uma animação que está disponível no Banco Internacional de Objetos Educacionais do MEC. Através desse endereço, você vai poder entender melhor o mecanismo da cadeia de transporte de elétrons. Caso o endereço não abra diretamente, vá em <http://objetoseducacionais2.mec.gov.br> e digite no campo de busca “Cadeia de transporte de elétrons”. Em seguida, clique no link correspondente.

http://cienciahoje.uol.com.br/105458

Os segredos da fermentação: este artigo da revista Ciência Hoje fala sobre a importância do estudo da levedura Saccharomyces cerevisiae, envolvida no processo de fermentação da cachaça de alambique no Brasil. Na parte de baixo da página, há um ícone que disponibiliza o artigo completo.

http://cienciahoje.uol.com.br/147455

Álcool mais limpo: neste outro artigo da revista Ciência Hoje, você vai encontrar uma matéria que retrata uma nova técnica de fermentação do álcool derivado da cana-de-açúcar, que garante mais economia para as usinas e reduz o risco de danos ao meio ambiente.

1


ResumoNesta aula, abordamos a diversidade de processos que fornecem energia para a manutenção e o crescimento (reprodução) da célula microbiana. Você teve a oportunidade de compreender a importância do ATP para o fornecimento de energia nas células vivas, em especial os microrganismos. Apresentamos as classes de substratos que os microrganismos retiram do ambiente e usam como fonte de energia em cada um desses processos. Discutimos as principais diferenças e semelhanças das etapas da respiração aeróbica, anaeróbica e fermentação. Foram apontadas algumas diferenças da respiração de procariotos e eucariotos. Foi discutido, também, como microrganismos fermentadores têm sido usados na fabricação de alimentos e bebidas.

AutoavaliaçãoUm dos objetivos desta aula foi fazer você identifi car a diversidade de substratos

energéticos usados por microrganismos e descrever os respectivos processos de obtenção de energia. Faça os exercícios abaixo para atestar se esses objetivos foram alcançados.

Observe a Figura 5 e descreva com suas palavras o processo de respiração aeróbica.

2

3

4


Complete a tabela abaixo sobre os processos de obtenção de energia por microrganismos:

Processo de obtenção de energia Substratos Aceptor fi nal de elétrons Produtos fi nais


Respiração anaeróbica

Fermentação

Descreva duas diferenças entre procariotos e eucariotos no processo de respiração.

Leia o texto “Os segredos da fermentação”, indicado nas Leituras complementares, e responda as questões propostas.

a) Quais microrganismos podem ser usados para a fabricação da cachaça?

b) Qual é o substrato da fermentação nesse processo industrial?


c) Quais são os produtos fi nais dessa fermentação?

d) Qual é a importância desses produtos para o sabor da bebida?

ReferênciasBARBOSA, H. R.; TORRES, B. B. Microbiologia básica. São Paulo: Ed. Atheneu, 2005. 196p.

BRIGGS, B. et al. Teaching cellular respiration & alternate energy sources with a laboratory exercise developed by a scientist-teacher partnership. The American biology teacher, Washington, v. 71, n. 3, p. 164-167, 2009.

MADIGAN, M.T.; MARTINKO, J. M.; PARKER, J. Microbiologia de Brock. São Paulo: Prentice Hall, 2004.

TORTORA, G.J.; FUNKE, B.R.; CASE, C.L. Microbiologia. 6. ed. Porto Alegre: Ed. Artmed, 2000, 827p.

Anotações


Controlando os microrganismos

6Aula

1

2

3


Apresentação

Os microrganismos estão relacionados à transmissão de doenças, decomposição de alimentos e contaminação da água e do ambiente. Portanto, eles estão diretamente relacionados às atividades humanas. Assim, o bem-estar da humanidade depende em

grande parte do controle que se possa ter sobre a população dos microrganismos com vistas à prevenção desses problemas. Nesta aula, estudaremos como é possível prevenir e evitar a proliferação exagerada dos microrganismos por meio de métodos físicos e químicos e como, ainda assim, eles utilizam estratégias para resistir a esses modos de controle.

ObjetivosDescrever os principais métodos físicos usados para controlar o crescimento de microrganismos.

Descrever os principais métodos químicos usados para controlar o crescimento de microrganismos.

Compreender os mecanismos de resistência microbiana às drogas.

Atividade 1


Por que controlar os microrganismos?

Todos nós e, em especial, muitos profi ssionais da área da saúde, estamos frequentemente expostos a microrganismos potencialmente causadores de doenças. Como você já sabe, de um modo geral, os microrganismos são capazes de sobreviver em ambientes com

diversas condições físicas. Entretanto, existe uma limitação dessa capacidade de sobrevivência de um determinado microrganismo em um meio ambiente com condições desfavoráveis. É com base nesse fato que o homem desenvolveu estratégias para o controle de microrganismos.

Você conhece alguma forma que utilizamos no dia a dia para matar microrganismos? Cite-as.

A necessidade de controlar os microrganismosNo século XIX já se faziam cirurgias, mas elas eram arriscadas e perigosas, pois os

pacientes submetidos mesmo a operações mais simples corriam um elevado risco de infecção. Isso ocorria porque a cirurgia não era realizada sob condições assépticas. A sala de operações, as mãos do cirurgião e os instrumentos cirúrgicos estavam sempre contaminados com micróbios, o que causava elevados níveis de infecção e mortalidade. Naquela época, os cirurgiões operavam frequentemente vestindo a mesma roupa com a qual saíam nas ruas e sem lavar as mãos. De maneira habitual, eles enfi avam as agulhas que usavam para dar pontos no


Figura 1 – Pasteur (1822-1895) e Lister (1827-1912)

paciente na gola do seu casaco. Os curativos cirúrgicos eram muitas vezes feitos com o algodão que sobrava no chão das fábricas. Foi nesse contexto que o cientista francês Louis Pasteur demonstrou que havia organismos invisíveis, os micróbios, que eram causadores de doenças.

O trabalho de Pasteur infl uenciou o cirurgião inglês Joseph Lister, que aplicou a teoria dos germes de Pasteur nos procedimentos cirúrgicos. Fundou, assim, a cirurgia moderna, com antissepsia. Para desinfetar o ambiente cirúrgico, Lister passou a utilizar uma solução de ácido fênico (fenol), a qual era pulverizada em torno da sala de operação com um pulverizador de mão.

Fonte: <http://www.textbookofbacteriology.net/Pasteur.jpg>; <http://www.

textbookofbacteriology.net/Lister.jpg>. Acesso em: 28 out. 2009.

Figura 2 – Cirurgia no século XIX utilizando o pulverizador de Lister com ácido carbólico.

Fonte: <http://www.textbookofbacteriology.net/earlysurgery.jpg>.


As técnicas propostas por Lister funcionaram de modo efi caz, aumentando as taxas de sobrevivência dos pacientes durante a cirurgia. Mas, isso não foi aceito muito facilmente, uma vez que os microrganismos não eram vistos a olho nu. Além disso, os cirurgiões tinham que se submeter a respirar um composto irritante, que é o fenol.

Atividade 2


Como é possível controlar o crescimento microbiano?

O controle do crescimento microbiano é necessário em muitas situações práticas, e signifi cativos avanços na agricultura, na Medicina e na produção de alimentos têm sido feitos através do estudo dessa área da Microbiologia.

O que você entende por esterilização?

O controle do crescimento microbiano pode ser feito por meio de técnicas que inibem o crescimento, matando os microrganismos ou removendo-os de um ambiente. Assim, os agentes antimicrobianos podem ser divididos em agentes que matam os microrganismos, ou bactericidas, e agentes que inibem o seu crescimento, ou bacteriostáticos. Esse controle geralmente envolve o uso de agentes físicos ou químicos. Um bactericida mata bactérias, um fungicida mata fungos, e assim por diante.

Em Microbiologia, o termo esterilização refere-se à destruição ou eliminação de todos os organismos viáveis dentro ou sobre uma substância a ser esterilizada. Não há graus intermediários de esterilização; assim, um objeto ou substância ou está estéril ou não está.

A esterilização pode ser realizada por vários métodos, como veremos a seguir.


Controle de microrganismos por meios físicos

O calor é o método de esterilização mais largamente utilizado. Para uma esterilização efi ciente, deve-se considerar o tipo de calor, e o mais importante, a temperatura utilizada para assegurar a destruição de todos os microrganismos.

� Incineração

Queima e destruição física dos organismos.

� Ebulição

Submissão do objeto contaminado a 100 °C por 30 minutos. Elimina tudo, exceto alguns endósporos. Para matar endósporos e, portanto, esterilizar uma solução, um tempo muito longo (> 6 horas) de ebulição é necessário.

� Autoclavação (vapor sob pressão ou panela de pressão)

A autoclave é o mais utilizado e mais efi ciente meio de esterilização. Todas as autoclaves operam em uma relação de tempo e temperatura. Essas duas variáveis são extremamente importantes. As temperaturas mais elevadas eliminam os microrganismos mais rapidamente.

Figura 3 – Autoclave vertical

Fonte: <http://www.autoclaves-india.com/autoclaves_india/images/autoclaves_high_

pressure_4b.gif>. Acesso em: 28 out. 2009.


A temperatura padrão usual e a pressão empregadas na autoclave é de 121° C e 01 atm de pressão durante 15 minutos. Às vezes, períodos mais longos são necessários para cargas maiores, grandes volumes de líquidos ou materiais mais densos. A autoclave é ideal para esterilizar resíduos de risco biológico, curativos cirúrgicos, vidros, diversos tipos de meios de cultivo microbiológicos, líquidos e muitas outras coisas. No entanto, certos itens, tais como plásticos e alguns instrumentos médicos (como, por exemplo, os endoscópios de fi bra ótica) podem não resistir à autoclavagem e devem ser esterilizados com esterilizantes químicos ou de outra natureza. Quando as condições e o tempo adequados são empregados, nenhum organismo vivo irá sobreviver a uma autoclave.

A autoclave é uma panela de pressão grande, que opera por meio de vapor sob pressão como agente esterilizante. A maior parte do poder de aquecimento do vapor vem de seu calor latente de vaporização. Essa é a quantidade de calor necessária para converter o vapor de água fervente. O calor úmido é utilizado para matar os microrganismos porque ele causa a desnaturação de proteínas essenciais na célula microbiana.

� Pasteurização

A pasteurização é um processo que reduz a população microbiana de um líquido, como o leite, vinho e sucos de fruta. A denominação do processo é uma homenagem a Louis Pasteur, o primeiro a utilizar a metodologia na produção de vinho.

Durante a pasteurização do leite, por exemplo, para ter resultados satisfatórios, o líquido é aquecido a 71°C durante 15 segundos, e logo depois é rapidamente resfriado. A pasteurização prolonga a vida útil de um produto e reduz o nível de patógenos nele presente. O processo é chamado de pasteurização rápida.

Figura 4 – Aparelho pasteurizador

Fonte: <http://www.harmomilk.com.br/imagens/pastplacas.jpg>. Acesso em: 28 out. 2009.

Atividade 3


� Esterilização por calor seco (estufa ou forno de Pasteur)

É realizada em temperaturas de 140 °C a 180 °C, com tempo de exposição de 60 a 120 minutos. O calor seco ou ar quente em temperatura sufi cientemente alta levam à desnaturação e oxidação das proteínas, resultando na morte dos microrganismos. Este método é indicado para esterilizar vidrarias, instrumentos de corte ou de ponta (os quais podem oxidar na presença do vapor da autoclave) e materiais impermeáveis como ceras, pomadas e óleos.

� Radiação eletromagnética

É uma forma efi caz para esterilizar ou reduzir a carga microbiana de quase qualquer substância. O forno de micro-ondas, a radiação ultravioleta (UV), os raios X, os raios gama e elétrons são utilizados nesse processo, embora cada tipo de radiação tenha um mecanismo específi co de ação. A radiação ultravioleta (UV), que não penetra sólidos, é útil para a desinfecção de superfícies, do ar e líquidos que não absorvem as ondas UV. Os raios gama e X, que são mais penetrantes, são mais difíceis e caros, mas têm sido utilizados na conservação de alimentos e outros processos industriais.

Sabendo que a radiação gama inativa enzimas autocatalíticas, que participam do processo de degradação natural, pesquise e descreva brevemente em que esse tipo de radiação tem sido muito usado.

� Esterilização por fi ltração

Os microrganismos podem ser removidos de meios líquidos por meio da esterilização por fi ltração. Os fi ltros de membrana são compostos de acetato de celulose ou de nitrato de celulose e são feitos de forma a conter um grande número de pequenos poros, que retêm os microrganismos, impedindo que eles passem através deles. Os tamanhos dos orifícios podem ser controlados com precisão. A esterilização por fi ltração pode preservar moléculas biologicamente importantes que poderiam ser inativadas pelo calor.


Figura 5 – Exemplos de membranas (fi ltros) com diâmetro de 0,22 micras de porosidade para retenção de partículas microscópicas

Fonte: <http://www.interface.co.pt/images/produtos/mf_gr.jpg>; <http://www.interface.co.pt/images/produtos/pes_gr.jpg> <http://www.interface.co.pt/images/

produtos/durapore_gr.jpg>. Acesso em: 28 out. 2009.

Figura 6 – Sistema de fi ltração

Fonte: <http://www.limnotec.com.br/equip/img/novo/06.jpg>.


Controle de microrganismos por agentes químicos

Antimicrobianos são substâncias químicas que matam ou inibem o crescimento de microrganismos. Agentes antimicrobianos incluem conservantes químicos e antissépticos, bem como drogas usadas no tratamento de doenças infecciosas de animais e plantas. Os agentes antimicrobianos podem ser de origem natural ou sintética e podem ter um efeito estático ou mortal sobre microrganismos.


Tipos de agentes antimicrobianosAntissépticos: agentes antimicrobianos inofensivos o sufi ciente para serem aplicados

sobre a pele e mucosas, embora não devam ser ingeridos. Por exemplo: alcoóis, nitrato de prata, solução de iodo, detergentes e outros.

Figura 7 – Aplicação de álcool em gel nas mãos

Fonte: <http://mdemulher.abril.uol.com.br/imagem/saude/interna-

slideshow/gripe-suina-maos-alcool.jpg>. Acesso em: 28 out. 2009.

Desinfetantes: agentes que matam os microrganismos, mas não necessariamente os seus esporos, e não são seguros para serem aplicados em tecidos vivos. Servem para esterilizar objetos como mesas, pisos e outros utensílios. Por exemplo: hipocloritos, compostos de cloro, soda cáustica, sulfato, compostos de amônio quaternário, formaldeído e compostos fenólicos.

Figura 8 – Exemplos de desinfetantes

Fonte: <http://www.sanol.com.br/v4/media/imgs/marcas_proprias/familia_

comprebem.jpg>. Acesso em: 28 out. 2009.

Atividade 4


Alguns dos principais compostos utilizados

em desinfecção e assepsia

Agente Espectro de ação* Uso Modo de ação Tempo de exposição Desvantagens

Alcoóis (70-80%)

Gram-positivas Gram-negativas BAAR**

Antissépticos Desinfetantes

Desnaturação proteica Dissolução de lipídeos Curto (10 -15 min)

Pouco ativo contra esporos

CloroGram-positivas Gram-negativas BAAR

Tratamento da água

Inativação enzimática do agente oxidante Efeito imediato

Odor irritante; pouco ativo

contra esporos

IodoGram-positivas Gram-negativas BAAR

Antissépticos Desinfetantes Inativação enzimática Efeito imediato

Odor irritante; pouco ativo

contra esporos

Aldeídos***Gram-positivas Gram-negativas BAAR

Desinfetantes Desnaturação proteica do agente alquilante

Curto (formas vegetativas) Prolongado (esporos)

Tempo de exposição longo

Metais pesados Gram-positivas Gram-negativas Antissépticos Inativação enzimática Só agem enquanto estão

em contatoNão atuam sobre BAAR e esporos

*Formas vegetativas; **Bacilos álcool-ácido resistentes; ***Ativos contra esporos

Fonte: Trabulsi (1991).

Atenção! Esta atividade deve ser feita em regime presencial. Dirija-se ao seu polo de ensino para realizá-la.

Atividade prática: como controlamos os microrganismos?

Você já sabe que as substâncias químicas podem infl uenciar o crescimento bacteriano de três formas: como nutrientes, favorecendo o seu crescimento, como bacteriostáticos, impedindo que as bactérias cresçam, e como bactericidas, matando-as. É impossível generalizar a ação de uma substância química sobre o desenvolvimento de todos os microrganismos; até mesmo quando trabalhamos com um só tipo de microrganismo, um único agente químico pode ter diferentes efeitos, dependendo principalmente de sua concentração.

A seguir, apresentamos alguns procedimentos práticos com objetivo de que você verifi que como essa ação ocorre. Lembre-se de observar as recomendações sobre o trabalho em laboratório de Microbiologia que você viu na Aula 2 (Trabalhando no laboratório de Microbiologia).

C MS

Det Al


Prática: Por que lavar as mãos?

Objetivo: verifi car a ação de antissépticos sobre a microbiota das mãos.

Procedimentos

1) Pegue uma placa de Petri contendo ágar e divida em 4 partes iguais. Utilize, para isso, uma caneta de retroprojetor, fazendo a divisão na parte de baixo da placa.

2) Identifi que cada quadrante com os termos: Controle (C), Mão Suja (MS), Detergente (Det), Álcool 70% (Al). Prepare a placa seguindo o esquema abaixo.

3) No quadrante identifi cado como “Mão Suja”, você deve encostar o dedo (sem lavar) por alguns segundos, fazendo leve pressão.

4) Em seguida, lave as mãos com detergente, seque-as ao ar livre e encoste o mesmo dedo no quadrante do ágar identifi cado como “Detergente” por alguns segundos.

5) Agora, lave as mãos com álcool, seque-as e encoste o mesmo dedo no quadrante do ágar identifi cado como “álcool” por alguns segundos.

6) Incube a placa em estufa a 35-37°C ou deixe-a em temperatura ambiente por 24 horas.

Observação: nada deve encostar no quadrante identifi cado como “Controle”.

Após, no mínimo, 24 horas, faça a leitura dos resultados encontrados na placa, de acordo com o que se pede a seguir:

2

1


Crescimento Bacteriano

– + ++ +++ ++++

Placa I

Controle

Mão Suja

Detergente

Álcool 70%

– sem crescimento microbiano; + crescimento microbiano. Estabeleça um critério de quantidade de colônias para atribuir a simbologia +, ++, +++ ou ++++

ao crescimento.

Para compreender o que aconteceu, responda ao que se pede.

a) Qual a diferença entre o controle e os outros campos da placa? Por que isso ocorre?

b) Que conclusão geral podemos obter desse experimento?

Atenção! Quem trabalha com microrganismos tem que estar sempre atento: deve-se evitar a contaminação do material com contaminantes, assim como evitar espalhar microrganismos por todo o laboratório.

Faça uma representação esquemática dos resultados obtidos na avaliação da microbiota das mãos.


Os antibióticosO homem sempre procurou descobrir formas de curar lesões, febres e as dores. Nessa

perspectiva, os antibióticos vieram revolucionar a capacidade de curar doenças de natureza microbiana. A partir da descoberta da penicilina – a base dos antibióticos – pelo bacteriologista escocês Alexander Fleming, gerou-se uma revolução na Medicina do século XX. Fleming descobriu que o fungo Penicillium produzia substâncias capazes de destruir as bactérias que fi cavam à sua volta, e deu-lhe o nome de penicilina.

Desse período em diante, esses fungos passaram a ser cultivados em laboratórios para a produção em escala industrial de antibióticos que atacavam microrganismos que o sistema imunológico humano não conseguia eliminar sozinho. Graças a esses medicamentos, doenças infecciosas como a pneumonia, a sífi lis, a gonorreia e a tuberculose puderam ser tratadas, deixando de ser fatais. Durante a Segunda Guerra Mundial, a penicilina salvou a vida de milhões de soldados feridos nos campos de batalha, permitindo também que a expectativa de vida da época aumentasse.

Figura 9 – Alexandre Fleming

Fonte: <http://www.cienciapt.net/noticias/imagens/novas/

Fleming.jpg>. Acesso em: 28 out. 2009.

O que é um antibiótico, afi nal? Os antibióticos são substâncias desenvolvidas a partir de fungos e bactérias ou produzidas

em laboratórios farmacêuticos com a fi nalidade de combater microrganismos causadores de infecções no organismo.

Um termo mais adequado é “antimicrobiano”, que abrange tanto os antibióticos sintetizados naturalmente como também as substâncias sintetizadas em laboratórios.

Ribosomas

Replicação do DNA

Síntese de RNA

Síntese de proteínas(ribossomo 50S )

Síntese de proteínas(ribossomo 30S )

Antimetabólitos

Síntese da parede celular

ARNm

ADN

5030

5030

5030


Como os antibióticos agem para matar as bactérias?

O mecanismo de ação dos antibióticos pode se dar de diversas formas:

1) inibindo a síntese de parede celular;

2) alterando as funções da membrana celular;

3) inibindo a síntese proteica;

4) inibindo a síntese de ácidos nucleicos;

5) alterando o metabolismo bacteriano.

Figura 10 – Locais de ação dos antimicrobianos

Fonte: adaptado de Murray (2006).

Apesar de sua grande importância na cura de doenças graves, o uso indiscriminado de antimicrobianos, principalmente sem orientação e acompanhamento médico, pode ser prejudicial à saúde. Além disso, favorece o desenvolvimento de microrganismos resistentes a determinados antibióticos.

OO

R SN

N

OOH

H


Resistência bacteriana aos antibióticosOs antibióticos betalactâmicos pertencem à classe de antimicrobianos que possuem em

comum a presença de um anel betalactâmico na sua estrutura química (Figura 11).

Figura 11 – Anel betalactâmico

As bactérias adquirem resistência aos antibióticos betalactâmicos através de três mecanismos gerais:

1) evitando a interação entre o antibiótico e a molécula de PBP;

2) modifi cando a união do antibiótico com a PBP;

3) hidrolizando o antibiótico por meio de betalactamases.

O primeiro mecanismo de resistência só ocorre em bactérias Gram negativas (especialmente no gênero Pseudomonas), devido à presença da membrana externa que recobre o peptidoglicano. A entrada dos antibióticos betalactâmicos no interior dos bacilos Gram negativos requer que eles atravessem os poros situados na membrana externa. As modifi cações nas proteínas (porinas) que formam a parede dos poros podem modifi car o tamanho desses canais e impedir a entrada do antibiótico.

PBP

Proteína que se liga à penicilina.

Atividade 5


O problema da resistência bacteriana às drogasSe um agente patogênico é capaz de desenvolver ou adquirir resistência a um determinado

antibiótico, essa substância passa a ser inútil no tratamento de doenças infecciosas causadas por esse patógeno. Nesses casos, é preciso encontrar novos e diferentes antibióticos para serem utilizados no tratamento, em lugar do anterior. Foi assim que as penicilinas naturais tornaram-se inúteis contra estafi lococos (causador da furunculose) e tiveram que ser substituídas por outros antibióticos. A tetraciclina, que já foi considerada uma “droga maravilhosa”, foi tão mal utilizada durante décadas que se tornou inútil para muitas infecções que ela já combateu.

O problema não consiste apenas em encontrar novos antibióticos para combater doenças devido ao surgimento de bactérias resistentes. Há também uma necessidade paralela de se encontrarem novos antibióticos para combater doenças novas, as chamadas doenças emergentes. Nas últimas duas décadas, muitas “novas” doenças bacterianas foram descobertas. Isso aumenta muito a nossa responsabilidade no uso adequado de antimicrobianos.

Pesquise os dois outros tipos de resistência aos antimicrobianos e descreva-os brevemente no espaço a seguir.

1

2

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4

Resumo


ReferênciasCONTROL of microbial growth. Disponível em: <http://textbookofbacteriology.net/kt_toc.html>. Acesso em: 28 out. 2009.

MADIGAN, M. T.; MARTINKO, J.; PARKER, J. Microbiologia de Brock. 10. ed. São Paulo: Prentice-Hall, 2004.

MURRAY, Patrick R.; PFALLER, Michael A.; ROSENTHAL, Ken S. Microbiologia médica. 5. ed. Rio de Janeiro: Ed. Elsevier, 2006.

SERRA, Henrique A. A história dos antibióticos. Disponível em: <http://www.medstudents.com.br/historia/fl eming/fl eming.htm>. Acesso em: 28 out. 2009.

TORTORA, G. J.; FUNK, B. R.; CASE, C. L. Microbiologia. 8. ed. Porto Alegre: ArtMed, 2005.

Nesta aula, vimos que o controle do crescimento de microrganismos é possível pela ação de agentes físicos e químicos, que possuem propriedades de matar a célula microbiana ou de impedir a sua reprodução. Você aprendeu também que, por outro lado, as bactérias podem ser resistentes a esses agentes ao desenvolverem diversos mecanismos que impedem a ação de antimicrobianos.

AutoavaliaçãoQual a diferença entre um antisséptico, um desinfetante e um antibiótico?

Qual a diferença de um antibiótico bacteriostático e um antibiótico bactericida?

Faça uma tabela apresentando os alvos sobre os quais os antimicrobianos agem nas bactérias.

Descreva os mecanismos básicos de resistência bacteriana às drogas.


Apêndice A – Defi nições importantesEsterilização: destruição ou remoção de todas as formas de vida de um objeto ou habitat. Processo que visa à destruição total de todas as formas de vida (inclusive esporos), de um material ou ambiente, através de métodos físicos ou químicos.Desinfecção: processo que promove a inibição, morte ou remoção de vários microrganismos patogênicos e saprófi tas, sem eliminar todas as formas de vida. Consiste na destruição, remoção ou redução dos microrganismos presentes num material inanimado. Visa eliminar a potencialidade infecciosa do objeto, superfície ou local.

Sanitização: processo que leva à redução dos microrganismos, em níveis seguros, de acordo com os padrões de saúde pública (elimina 99,9% das formas vegetativas).

Antisséptico: produto que evita a infecção em tecidos, seja inibindo ou matando os microrganismos. Como são aplicados em tecidos vivos, os antissépticos são, geralmente, menos tóxicos que os desinfetantes (agentes aplicadas em materiais inanimados).

Germicida: mata microrganismos, mas não endósporos.

Assepsia: Procedimento que visa evitar o retorno da contaminação a um objeto, superfície ou local.

Antissepsia: desinfecção de tecidos vivos, como pele e mucosas.

Bactericida: agente que mata as bactérias. Similarmente, temos fungicida (fungos), viricida (vírus) e esporocida (esporos).

Bacteriostático: agente que inibe a multiplicação bacteriana.

Anotações


A genética dos microrganismos

7Aula

1

2

3

4


ApresentaçãoVocê já aprendeu nas aulas anteriores que os microrganismos são muito versáteis

metabolicamente. Eles conseguem se adaptar a ambientes diversos devido a sua capacidade de utilizar compostos muito variados como fonte de energia para o seu desenvolvimento.

Nesta aula, você irá compreender como é a estrutura do cromossomo bacteriano e quais os mecanismos básicos que permitem fazer com que as informações genéticas sejam expressas pelos organismos. Também iremos discutir como podem se apresentar outros modos de informação genética nos microrganismos, além daquelas contidas no próprio cromossomo.

ObjetivosIdentifi car as propriedades genéticas de organismos procarióticos.

Reconhecer a estrutura do cromossomo bacteriano.

Compreender as etapas de replicação cromossômica.

Relacionar plasmídeos e transposons às suas funções na célula bacteriana.


Por que estudar agenética dos microrganismos?

Em algumas disciplinas já vistas, como Biodiversidade e História da Biologia, foram introduzidos alguns aspectos da genética, notadamente no que se refere a organismos eucarióticos. Esse tema será retomado em outros momentos, de forma mais

sistematizada, mas você deve se lembrar que os genomas desses organismos têm múltiplos cromossomos e os descendentes formados possuem diferenças uns dos outros.

O que ocorre em procariotos é bem diferente disso, como veremos nesta aula. Bactérias e vírus podem produzir uma geração de indivíduos em questão de minutos, e todos os organismos de uma mesma geração são, em princípio, geneticamente idênticos, constituindo populações de clones. Isso os torna muito interessantes para os pesquisadores que tentam compreender processos genéticos, pois, por serem “mais simples”, eles crescem em grande número e de maneira controlada em laboratório, facilitando o seu uso em estudos que podem ter várias aplicações na compreensão do comportamento genético de outros organismos mais difíceis de serem estudados, por exemplo.


Onde estão as informações genéticas nas bactérias e nos vírus?

A organização de uma célula procariótica típica revela determinadas características, como você já comparou na Aula 1 (Comparando células procarióticas e eucarióticas). Observe novamente uma célula eucariótica e outra procariótica e faça a refl exão que se pede em seguida, na Atividade 1.

Figura 1 – Célula eucariótica

Fonte: <http://calazans.ccems.pt/cn/images/celulanimal3.jpg>. Acesso em: 6 out. 2009.

Figura 2 – Célula procariótica

Fonte: <http://curlygirl.no.sapo.pt/imagens/procarionte.jpg>. Acesso em: 6 out. 2009.

Atividade 1


Estabeleça uma comparação entre as duas células do ponto de vista da organização do material genético.

Você deve ter observado que a célula procariótica não dispõe de uma membrana típica, ao contrário de célula eucariótica. Nesta, o material nuclear encontra-se envolvido por uma membrana que se conecta com o citoplasma.

Nos vírus, que não são células, mas são considerados entidades biológicas exatamente por possuírem material genético, dentre outras características, o genoma está contido no interior de uma capa de proteínas chamada capsídeo.


Figura 3 – HIV: o vírus que causa a AIDS

Figura 4 – Bacteriófago: um vírus que ataca bactéria

As bactérias também podem conter material genético em outras estruturas que não o cromossomo. Algumas bactérias possuem moléculas de DNA de fi ta dupla menores que o cromossomo e que podem se replicar independente dele. Essas moléculas são chamadas plasmídeos.

Figura 5 – DNA bacteriano (cromossomo e plasmídeo)

Fonte: <http://bio.leo.sites.uol.com.br/bacteriologia.htm>. Acesso em: 24 abr. 2012.

Atividade 2


Os plasmídeos são elementos genéticos que se replicam independentemente do cromossomo da célula e podem ser de vários tipos, de acordo com a função que possam desempenhar na bactéria. A maioria dos plasmídeos conhecidos corresponde a moléculas de DNA de fi ta dupla, e em sua maioria são circulares.

Principais plasmídeos:

� plasmídeos F (conjugação);

� plasmídeos R (resistência);

� plasmídeos de virulência;

� plasmídeos colicinogênicos;

� plasmídeos integrados – epissomo.

Pesquise na internet ou em livros disponíveis nos polos (se for o caso) sobre a função dos plasmídeos R e dos plasmídeos de virulência.

Plasmídeos R Plasmídeos de virulência

Função: Função:

Herpesvirus

Hepadnavirus

Poxvirus

100 nm

Parvovirus

Papovavirus

Adenovirus

Iridovirus

100 nm

Picornavirus

Reovirus

Togavirus

Orthomyxovirus

Bunyavirus

ParamyxovirusArenavirus

Rhabdovirus

Retrovirus

Coronavirus


Como são os cromossomosdos microrganismos?

Se você não percebeu, na Figura 5, a maior parte da informação genética das bactérias está contida em um cromossomo único e circular, o qual consiste de DNA e proteínas. Essa informação é duplicada e repassada igualmente entre as duas células fi lhas, quando a célula-mãe se divide. Isso só é possível porque o DNA é uma molécula autorreplicável e pronta para fazer uma cópia exata de si mesma antes de ocorrer a divisão celular.

Nos vírus, o genoma é muito diversifi cado e pode conter DNA ou RNA, como você pode observar nas Figuras 6 e 7 a seguir.

Figura 6 – Exemplos de vírus de DNA

Figura 7 – Exemplos de vírus de RNA


As etapas do fl uxoda informação genética

Os processos de replicação, transcrição e tradução ocorrem em todos os organismos, mas existem diferenças entre o que ocorre em procariotos e eucariotos.

O fl uxo da informação genética pode ser caracterizado em três processos moleculares, descritos a seguir.

a) Replicação: neste processo, o DNA bacteriano é duplicado, originando duas estruturas de dupla hélice.

b) Transcrição: refere-se à transferência de informação do DNA para o RNA, pois o DNA não participa diretamente da síntese proteica.

c) Tradução: é a determinação específi ca de uma sequência de aminoácidos em uma determinada proteína, a partir de uma sequência de bases.

Essas três etapas de transferência da informação genética (Figura 8) ocorrem igualmente em todas as células. Em alguns vírus, podem ocorrer diferenças, como a replicação do RNA (o RNA servindo de molde para ele mesmo) e a transcrição reversa, quando uma sequência de RNA serve de molde para o DNA, o inverso do que ocorre nas células.

DNA RNA mensageiro Proteína

replicação

transcrição tradução

DNA de fita dupla

fitas novas

(a)

(b)

(c)

(d)

Aminoácido (ativado) RibossomoNH

2

DNA

rRNAtRNAmRNA


Figura 8 – O fl uxo da informação genética

Fonte: <http://openlearn.open.ac.uk/fi le.php/2645/S377_1_002i.jpg>. Acesso em: 6 out. 2009.

Você estudará esses processos mais detalhadamente em outras disciplinas, mas é importante que você relembre qual o objetivo das informações genéticas contidas no DNA: a produção de proteínas específi cas ou a produção de uma sequência de ácido nucleico.

Para compreendermos como as bactérias se reproduzem, é preciso também saber algumas características gerais da replicação do DNA. A estrutura do DNA (Figuras 9 e 10) tem um papel fundamental no processo de replicação. Nesse sentido, alguns importantes aspectos devem ser lembrados por você, como:

� as duas bandas de DNA são complementares uma à outra;

� as quatro bases que formam o DNA são adenina, timina, guanina e citosina;

� a base adenina combina-se com a base timina e a guanina, com a citosina;

� as duas bandas de DNA estão ligadas por pontes de hidrogênio;

� as duas bandas de DNA são antiparalelas uma à outra, ou seja, uma banda “corre” na direção 5´ - 3´ e a outra corre na direção 3´- 5´;

� a síntese de DNA é semiconservativa, ou seja, cada nova molécula conserva uma das cadeias antigas.


Figura 9 – Estrutura em dupla hélice do DNA

Fonte: <http://legion.geleia.net/AP/dna.gif>. Acesso em: 6 out. 2009.

Fonte: <http://4.bp.blogspot.com/_R-rTvAicCNQ/SeLIakiR-DI/AAAAAAAABso/3ATUbN92iGs/s400/

como_funciona_o_dna_06.jpg>. Acesso em: 6 out. 2009.

Figura 10 – Estrutura molecular do DNA (a cadeia dupla enrolada em si mesma formando uma hélice)

Atividade 3


Você já sabe que a replicação, a transcrição e a tradução ocorrem em todos os organismos celulares. Mas, há algumas diferenças em como elas ocorrem em procariotos e eucariotos. Isso se deve, em parte, ao fato de os organismos eucariotos possuírem uma membrana nuclear envolvendo o material genético, fato que não acontece entre os procariotos, cujo DNA está disperso no citoplasma. Nos eucariotos, além de possuírem uma membrana envolvendo os cromossomos, os ribossomos estão localizados no citoplasma, o que provoca uma separação entre os locais onde ocorrem a transcrição e a tradução.

Analise a fi gura a seguir e explique por que as etapas do fl uxo genético em uma célula eucariótica (como no caso da fi gura) são diferentes em relação a uma célula procariótica, em termos espaciais.

Figura 11 – Etapas da replicação do DNA em uma célula eucariótica

Origem da replicação


Visão geral dareplicação do DNA bacteriano

Como você já sabe, a divisão celular nas bactérias consiste em um processo simples de divisão chamado fi ssão binária, na qual as células se dividem em duas, como revela a fi gura seguinte.

Figura 12 – Fissão binária

Fonte: Raven (2001, p. 208).

A replicação começa no cromossomo bacteriano em uma sequência específi ca de nucleotídeos chamada origem de replicação, onde um grupo de mais de 20 proteínas diferentes dá início ao processo de copiar o DNA. Nesse processo, uma célula divide-se para gerar duas células idênticas. Lembre-se de que o cromossomo bacteriano é circular, o que diferencia o modo como ele se replica, conforme você pode ver nas Figuras 13 e 14.

Figura 13 – Replicação do DNA bacteriano

Fonte: Raven (2001, p. 208).


Figura 14 – Esquema da replicação do DNA circular bacteriano

DNA que não fi ca quieto:os elementos transponíveis

Embora possamos considerar que a posição dos genes nos seres vivos é relativamente estável, o modo como os genes se arranjam em um cromossomo não é necessariamente fi xo, pois, em certas condições, alguns genes são capazes de se mover. Esse processo de mobilização de genes de um local para outro, um evento considerado raro, é denominado transposição. Também é preciso considerar que nem todo gene é capaz de realizar esse fenômeno.

Podemos considerar dois tipos de elementos transponíveis: os transposons e as sequências de inserção. Ambos possuem a capacidade de sintetizar uma enzima chamada transponase, a qual permite a ocorrência da transposição.

As sequências de inserção são os elementos transponíveis mais simples e não carregam uma informação genética determinada a não ser aquela necessária para sua própria inserção em um local do genoma.

Os transposons são segmentos de DNA maiores que as sequências de inserção e carreiam outros genes, alguns dos quais conferem propriedades importantes ao organismo. São capazes de se mover do DNA cromossomial para o plasmidial etc. Contêm genes de resistência a antimicrobianos.

ACGTACGTACGT

TGCATGCATGCA

TGCATGCATGCA

ACGTACGTACGT

CATGC

GTACG

GTACG

CATGC

GTACG

CATGC ACGTACGTACGT

TGCATGCATGCA

TGCATGCATGCA

ACGTACGTACGT

CATGC

GTACG

CATGC

GTACG

ACGTACGTACGT

TGCATGCATGCA

TGCATGCATGCA

ACGTACGTACGT

Sequências repetidas

DNA hospedeiro

Local de abertura do sítio alvo

Inserção do transposon

Sítio alvo(a)

(b)

(c)


Figura 15 – Modo como se organizam os transposons

Os microrganismos e genéticaO uso cada vez mais intenso de microrganismos na genética deu um novo impulso à

ciência da hereditariedade. Isso foi um marco decisivo para o desenvolvimento dessa área, porque os microrganismos possuem excelentes qualidades para os estudos genéticos. Eles apresentam, em geral, um ciclo de desenvolvimento rápido, facilitando assim o estudo da transmissão de características hereditárias em um curto período de tempo. Como são microscópicos, podem ser cultivados em grandes densidades em um espaço pequeno. Sendo organismos morfologicamente mais simples, é mais fácil, por meio deles, compreender os mecanismos de herança das características genéticas.

Grande parte dos microrganismos apresenta apenas um cromossomo ou um número reduzido de cromossomos, fato que também os torna mais fáceis de serem estudados. Por essas e outras razões, como a utilização dos microrganismos na indústria de alimentos e de medicamentos, entre outros usos, a compreensão da genética de microrganismos torna-se necessária, como veremos nas aulas seguintes.

1

2

3

4

5


ResumoNesta aula, você estudou onde se encontram as informações genéticas dos microrganismos. Foram revistas as estruturas do DNA bacteriano, que é único e circular, o que leva a um modo diferenciado de replicação. Você aprendeu também que pode haver informações genéticas em forma de plasmídeos e que há sequências cromossômicas que mudam de lugar, os chamados transposons.

AutoavaliaçãoEstabeleça as diferenças entre o cromossomo de uma célula eucariótica e procariótica, descrevendo a organização do cromossomo bacteriano.

Quais são as etapas do fl uxo da informação genética?

Brevemente, descreva a estrutura geral do DNA.

Defi na plasmídeo e transposon, de um modo geral, e depois faça a diferença entre eles.

Explique a importância dos plasmídeos para os microrganismos.

ReferênciasMADIGAN, M. T. Microbiologia de Brock. São Paulo: Pearson Ed. Do Brasil, 2004. 589 p.

PELCZAR, M. J. et al. Microbiologia: conceitos e aplicações. São Paulo: Makron Books, 1996.

RAVEN, Johnson. Biology. 6th ed. New York: Mc Graw-Hill, 2001.


TRABULSI, L. R.; ALTERTHUM, F. Microbiologia. 4. ed. São Paulo: Editora Atheneu, 2004.

Anotações


As bactérias se modifi cam

8Aula

1

2


Apresentação

As bactérias se reproduzem o tempo inteiro, o que faz com que variações genéticas se espalhem rapidamente numa população. Existem dois processos gerais que originam variações nos microrganismos: a mutação e a recombinação genética. Nesta aula,

você compreenderá como ocorrem esses processos e como, a partir deles, as modifi cações acontecem, mais especifi camente nas bactérias. Também estudaremos como os vírus podem contribuir para as alterações genéticas nos genomas bacterianos.

ObjetivosConhecer os processos de recombinação genética que ocorrem nos microrganismos.

Compreender a função das mutações para a variação gênica nos microrganismos.

Atividade 1


Bactérias que “se misturam”: sexo bacteriano?

Muitas bactérias trocam material genético entre si. Essa troca de DNA entre células bacterianas permite o intercâmbio de genes e, consequentemente, de certas características entre elas, o que leva ao aparecimento de cepas bacterianas antes

não existentes. Essa transferência de genes pode ser vantajosa para a bactéria receptora, especialmente quando o DNA codifi ca mecanismos de resistência a antibióticos ou se o gene novo permitir que a bactéria faça uso de um substrato antes não utilizado para sua sobrevivência em um ambiente inóspito. O material genético transferido pode se integrar ao cromossomo da bactéria receptora ou manter-se de forma estável, como na forma de um elemento extracromossômico, como um plasmídeo, que você já conheceu na aula anterior. Pode ainda ser um material genético advindo de um vírus bacteriano (bacteriófago) e ser transmitido às células fi lhas, como veremos nesta aula.

Relembre a Aula 7 (A genética dos microrganismos) e defi na o que é um plasmídeo.

Os plasmídeos contêm informações genéticas as quais podem proporcionar diversas vantagens seletivas às bactérias que os carregam. Como um exemplo, podemos citar que os plasmídeos podem conferir um alto grau de resistência a antibióticos, codifi car a produção de toxinas que dão virulência às bactérias ou podem garantir a metabolização de um substrato que antes não podia ser utilizado pela bactéria que o recebe.

Os grandes plasmídeos, com o fator de fertilidade F de Escherichia coli ou o fator de transferência de resistência, podem garantir sua própria transferência de uma célula para outra por meio de um processo chamado conjugação, o qual veremos mais adiante. Esses

Inóspito

Que não recebe com hospitalidade. Diz-se do

lugar onde não se pratica a hospitalidade. Que não

agasalha, ou não protege; que não serve para ser

habitado. Fonte: dicionário Michaelis.

Virulência

Capacidade de um vírus ou bactéria de

se multiplicar dentro de um organismo,

provocando doença. Fonte: dicionário

Houaiss da língua portuguesa.

Atividade 2

1

2

3


plasmídeos conjugativos codifi cam todos os fatores necessários para sua própria transferência. Além disso, outros plasmídeos podem ser transferidos de uma célula bacteriana a outra por meio de outros mecanismos de transferência, como veremos.

Relembre a Aula 7, desenhe e descreva a estrutura do DNA.

Explique, do seu modo, o signifi cado das palavras mutação e conjugação.

Mutação Conjugação

Você acha que esses dois processos têm alguma importância para os seres vivos? Por quê?


Os microrganismos sofrem modifi cações

Já vimos que é possível aos microrganismos, especialmente às bactérias, sofrer modifi cações por meio da transferência de genes entre elas. O modo como isso pode acontecer é o que estudaremos agora.

As variações bacterianas podem ser:

Fenotípicas: quando resultam das adaptações das bactérias ao ambiente. São reversíveis, não se relacionando com alterações genéticas. Não são, portanto, transmissíveis.

» Essas variações são de caráter adaptativo, decorrentes de uma modifi cação no meio e podem ser morfológicas ou fi siológicas.

Por exemplo: Serratia marcescens (37 ºC – sem pigmentação 25 ºC – vermelhas)

Genotípicas: alterações na sequência de nucleotídeos, levando a uma modifi cação genética. Assim, são transmitidas aos descendentes e irreversíveis.

As variações genotípicas podem ocorrer por recombinação ou por mutação.

Recombinação genética: os mecanismos de transferência de genes entre células diferentes

São processos que produzem um novo genótipo por meio de transferência de material genético de um cromossomo para outro, conhecidos como:

1) Transformação

2) Conjugação

3) Transdução

Moléculas de DNA livres

Célula bacteriana

Cromossomo


Transformação: genes “livres”

podem ser aprisionados por bactérias

Processo em que células receptoras adquirem genes de moléculas de DNA livres no meio. A partir do descobrimento da transformação é que foi demonstrado formalmente que o DNA era a molécula envolvida na hereditariedade (veja os experimentos de Griffi th, 1928, na disciplina História da Biologia).

A transformação se dá a partir da incorporação de um fragmento de DNA do meio por uma célula receptora. A maior parte das espécies bacterianas é capaz de realizar recombinações, mas apenas poucas espécies conseguem a habilidade necessária de pegar o DNA livre de maneira efi ciente. Isso porque o DNA só consegue penetrar algumas das células de uma população em crescimento, aquelas que estejam em um estado de competência. Entretanto, muitas espécies podem se tornar competentes ao serem submetidas a um tratamento químico apropriado.

Estado de competência

Aquele estado em que a bactéria deve apresentar sítios de superfície para a ligação com o DNA da célula doadora e apresentar a membrana em uma condição que permita a passagem desse DNA.

Figura 1 – Transformação bacteriana

Fonte: <http://www.nehmi-ip.com.br/imagens_servicos/bio_6_p.gif>.


Você sabia que a competência bacteriana para a transformação é uma característica inerente a certas linhagens e que pode envolver o mecanismo de quorum sensing, uma espécie de comunicação entre as bactérias?

Atividade 3


A competência pode ser obtida artifi cialmente, em laboratório

Você já sabe que apenas certas linhagens de bactérias possuem competência para captar uma molécula de DNA do meio. São exemplos de gêneros facilmente transformáveis Acinetobacter, Azotobcter, Bacillus, Streptococcus, Haemophilus, Neisseria e Thermus. A grande maioria das espécies não possui as características necessárias para sofrer transformação, em condições naturais. Por isso, em laboratório, procurou-se desenvolver esse estado de competência nas bactérias. Para a engenharia genética, foi muito importante a indução da competência da espécie Escherichia coli, em laboratório, pois ela é muito utilizada em experimentos que envolvem transferências genéticas induzidas. A maneira mais efi ciente, atualmente, de promover a competência bacteriana artifi cialmente é chamada de eletroporação (veja a Figura 2).

Leia o texto da revista Ciência Hoje sobre quorum sensing <http://www.unb.br/ib/cel/microbiologia/artigos/qs.pdf> e descreva resumidamente o que você entendeu sobre esse processo. O artigo também estará disponível na página da disciplina.

Atividade 4

1

2

+

Paredecelular

DNA de fita dupla

Membrana citoplasmática

DNA integrado

Tratamento comcorrente elétrica

Célula receptora Fragmentos do DNAda célula doadora

Célula transformada


Pesquise em livros ou em sites confi áveis (veja indicações de leitura ao fi nal da aula) e explique o processo de eletroporação.

Qual a importância desse processo para a engenharia genética?

Figura 2 – Estado de competência (artifi cial – por eletroporação).


De modo geral, consideramos que a conjugação pode ocorrer em bactérias Gram positivas e Gram negativas (reveja a Aula 1, Comparando células procarióticas e células eucarióticas) por diferentes mecanismos:

� Gram negativas - através do pili sexual

� Gram positivas - através do contato célula a célula

Quando as bactérias fazem conjugação, o DNA é transferido de uma célula doadora para uma célula receptora sob o controle de um conjunto de genes que garantem à célula doadora sua capacidade de transferência. Esses genes estão frequentemente presentes em um plasmídeo. A recombinação mediada por plasmídeo que acontece em E. coli, por exemplo, geralmente resulta da presença de um plasmídeo chamado de fator F, ou fator de fertilidade.

A conjugação começa com o contato físico entre uma célula doadora e uma célula receptora. Uma projeção tubular da célula doadora, conhecida por pilus sexual, forma uma ponte entre a célula doadora e a receptora. Através dessa passagem, uma cópia do DNA se desloca da doadora para a receptora. Na etapa fi nal da recombinação, se a célula doadora continha um plasmídeo integrado ao seu DNA, um segmento dele pode acabar sendo transferido para a célula destinatária. Se o plasmídeo doado era livre, ou seja, não incorporado ao DNA bacteriano da célula doadora, então, somente o DNA plasmidial é transferido e passa a compor o arsenal genético da célula receptora.

Plasmídeos

Os plasmídeos que têm a capacidade de se integrar ao

cromossomo da célula são chamados de

epissomos.

Conjugação: contato célula a célula para transferir genes

Um outro processo que permite a transferência de genes de uma bactéria para outra é a conjugação. Esse é um processo de recombinação genética através do qual o DNA plasmidial ou cromossômico é transferido de uma bactéria doadora para uma receptora através de contato físico direto entre as duas células. Esse processo é codifi cado por um plasmídeo, isto é, um plasmídeo conjugativo utiliza esse mecanismo para transferir uma cópia de seu DNA a um novo hospedeiro. Nesse processo, elementos genéticos como pedaços do DNA cromossômico ou outros plasmídeos podem ser transferidos de uma bactéria para outra.

Tubo de conjugação (pilus sexual) seforma entre a célula doadora e a

receptora. Uma enzima corta o plasmídeo

Na célula receptora, a fita de DNAcomeça a ser complementada

O DNA plasmidial inicia a replicação.A fita de DNA livre começa a se deslocar

através do tubo

Plasmídeo Pilus sexuala

c

Ao fim do processo, os plasmídeos estãocompletos em cada uma das células

d

b


Fonte: <http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/Recoproc/CONJU1.BMP>.


Figura 3 – Ligação célula a célula na conjugação bacteriana

O pilus ajuda a conjugação

Durante a conjugação de bactérias, o pilus sexual emerge da bactéria doadora e se projeta em direção da bactéria receptora, formando uma “ponte de acasalamento”, que estabelece um contato direto entre os citoplasmas das duas bactérias através de um poro controlado. Nem todas as bactérias têm a capacidade de criar o pilus sexual.

Figura 4 – Transferência de plasmídeo por conjugação

Fonte: <http://trc.ucdavis.edu/biosci10v/bis10v/week7/20f/Slide4.gif>. Acesso em: 7 out. 2009.

Atividade 5


Apesar do nome, o pilus sexual não é utilizado para a reprodução sexual, e não pode ser equiparado a um pênis, embora tais comparações sejam frequentemente usadas para facilitar a compreensão.

Fonte: <http://1.bp.blogspot.com/_iW5f4BaDqvw/SOpbR1v9yKI/AAAAAAAAAC8/iUj6iNPrtHk/s400/

conjuga%C3%A7%C3%A3o+bacteriana+08.jpg>. Acesso em: 14 out. 2009.

Por que não podemos dizer que a conjugação bacteriana é um processo de reprodução sexuada?


Os vírus se misturam com as bactérias: o mecanismo da transdução

O terceiro tipo importante de recombinação bacteriana é transdução. Nesse processo, vírus bacterianos (também conhecidos como bacteriófagos) transferem fragmentos de DNA de uma bactéria (a doadora) para outra bactéria (a receptora).

Os ciclos de desenvolvimento de vírus bacterianos podem ser divididos em duas categorias: o lítico e o lisogênico. No ciclo lítico, o ácido nucleico do fago entra em uma célula e se replica repetidamente. A bactéria é morta, ao fi nal do processo, e centenas de fagos são liberados.

No ciclo lisogênico, entretanto, não há partículas virais formadas. A bactéria sobrevive, e uma molécula de DNA do fago é transmitida a cada célula fi lha bacteriana. Na maioria dos casos, essa transmissão se dá devido à integração do cromossomo do fago ao cromossomo bacteriano.

Lise

A lise é o processo de ruptura ou dissolução da membrana plasmática ou da parede bacteriana, que leva à morte da célula e à liberação de seu conteúdo.

Figura 5 – Injeção do DNA por um bacteriófago em uma célula hospedeira

Fonte: <http://biodidac.bio.uottawa.ca/ftp/BIODIDAC/Virus/General/diagbw/Viru006b.gif>. Acesso em: 7 out. 2009.

No ciclo lítico, depois que um bacteriófago ou fago entra em uma bactéria, ele pode induzi-la a fazer cópias de si próprio. No fi m desse processo, a bactéria infectada sofre lise e novos vírus são lançados no ambiente, como você pode ver na Figura 6 a seguir. Em A, o vírus infecta uma célula bacteriana, injetando nela seu DNA. Em B, o DNA viral induz a célula a replicar os genes virais. A etapa C mostra que partes dos vírus são formadas no interior da célula bacteriana, para dar origem a novas partículas virais completas. Finalmente, em D, a célula sofre lise e os vírus completos são liberados para o meio extracelular.

a

b

c

d


Figura 6 – Ciclo lítico de um bacteriófago

Fonte: <http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/488/499792/images/

AABXJOV0a.jpg>. Acesso em: 7 out. 2009.

No ciclo lisogênico, o vírus pode se integrar ao cromossomo bacteriano, ligando seu DNA ao DNA da bactéria. Pode permanecer ali por um período de tempo antes de se desligar e continuar seu processo de replicação. Sob essas condições, o vírus não destrói a bactéria hospedeira, mas permanece se replicando com ela à medida que ela se divide. Nessas condições, o vírus é chamado de fago temperado, também conhecido como profago. Em um momento posterior, o vírus pode se separar do cromossomo bacteriano e retomar um ciclo lítico.

Você pode acompanhar as etapas do ciclo lisogênico de um bacteriófago na Figura 7. Em A, o bacteriófago infecta uma célula bacteriana injetando nela seu DNA. Em B, você vê o DNA viral à direita e o bacteriano à esquerda. Na etapa C, o DNA viral se integra ao DNA bacteriano. Por fi m, em D, a bactéria se divide e o genoma viral também, uma vez que estava inserido no cromossomo bacteriano.

Figura 7 – Ciclo lisogênico de um bacteriófago

Fonte: Adaptado de <http://www.dbio.uevora.pt/LBM/Foco/Vectores/Image22.jpg>. Acesso em: 7 out. 2009.

A+ B+

A+ B+

A+ B+

A+ B-A+ B-

A-

A+

B- A-

A+

B-

A+

B+

A+ B+

A+

A+

A - Transdução generalizada B - Transdução especializada DNA do fago

Fago infecta célula bacteriana.

DNA do hospedeiro é quebrado em pedaços e DNA e proteínas do fago são formados.

Eventualmente, parte do DNA bacteriano é “empacotado” em um capsídeo do fago.

DNA bacteriano

Célula bacteriana tem profago integrado entre os genes A e B.

Eventualmente, o DNA do profago, ao se deslocar do cromossomo bacteriano, leva consigo parte do DNA da célula hospedeira.

Partículas do fago carreiam DNA bacteriano (aqui citado como gene A) junto com o DNA do fago.

Fagos transduzidos infectam novas células hospedeiras, podendo haver recombinação.

Os recombinantes têm DNA diferente de seus doadores ou receptores.

Bactéria recombinante

DNA do profago


A transdução pode ser de dois tipos, de acordo com os ciclos virais:

Transdução generalizada: durante um ciclo lítico, pode haver a incorporação de DNA bacteriano ao genoma viral durante a montagem dos vírus, ainda dentro da bactéria. Esse DNA poderá ser transferido para outra bactéria, quando o vírus for liberado, após a lise bacteriana. Nesse tipo de processo, o empacotamento de fragmentos de DNA da célula hospedeira pode ocorrer de maneira acidental, gerando partículas denominadas partículas transdutoras, que correspondem ao capsídeo viral contendo em seu interior DNA bacteriano. Embora não correspondam a novos vírus, essas partículas transdutoras são capazes de se ligar por adsorção à superfície de outras células bacterianas e levar a uma recombinação genética no DNA da célula hospedeira.

Transdução especializada: ocorre quando se dá a transferência de DNA de uma bactéria para outra de maneira efi ciente, permitindo que uma pequena região do cromossomo bacteriano seja replicado. O processo começa com a lisogenização do fago em locais específi cos do genoma. Ao de separar da bactéria hospedeira, esse processo pode se dar de maneira defeituosa, levando também à remoção de genes bacterianos e deixando parte do genoma viral na célula. Assim, ao infectar novas células, pode haver a transferência de genes da bactéria anteriormente infectada.

Figura 8 – Tipos de transdução: (a) transdução generalizada; (b) transdução especializada.

Fonte: <http://www2.brazcubas.br/professores1/arquivos/35_shyodo/Biologia/Recombinacao_em_bacterias.pdf>. Acesso em: 7 out. 2009.

Atividade 6


Qual a diferença básica, em termos do ciclo viral, para que ocorra transdução generalizada ou especializada?

Sem mutação

Ponto de mutaçãoSubstituição de base

Inserção

Deleção

Substituição de uma base ou de muitas bases

Adição de uma base ou de algumas bases

perda de uma ou de algumas bases.

A B C

A C

A C

A B C


Mutação nos microrganismosUma outra maneira dos microrganismos sofrerem modifi cações na sua informação

genética é por meio de mutações.

A mutação é uma alteração na sequência de bases nitrogenadas do DNA. Pode ser neutra, desvantajosa ou benéfi ca. Pode ocorrer por deleção, inserção ou substituição de um ou mais nucleotídeos.

Figura 9 – Tipos de mutação

Fonte: Raven (2001, p. 208).

As mutações podem ocorrer espontaneamente por causa de erros durante a replicação ou devido à radiação natural, com uma frequência de cerca de uma em 1.000.000, ou podem ser induzidas experimentalmente pelo uso de agentes mutagênicos. As mutações podem ser também quimicamente induzidas por análogos de base, compostos que são estruturalmente similares às purinas e pirimidinas, no DNA. A célula incorpora esses análogos ao DNA, mas durante as replicações subsequentes, os análogos têm uma maior probabilidade de pareamento incorreto, inserindo uma base inadequada na nova fi ta de DNA.

Outros mutagênicos químicos reagem diretamente com o DNA alterando as bases. A radiação UV é absorvida pelas purinas e pirimidinas no DNA, processo que leva a um impedimento no emparelhamento correto de bases durante a replicação. A radiação ionizante gera radicais livres nas células e esses podem reagir com o DNA, provocando quebras na cadeia. Os agentes biológicos, tais como os transposons e os bacteriófagos, causam mutações através da inserção de sequências de DNA nos genes, interrompendo, assim, a informação inicial de codifi cação.

2

Resumo

1


Explique as diferenças entre recombinação e mutação gênica.

Nesta aula, você compreendeu como os microrganismos realizam trocas de material genético. Vimos que isso é possível por meio de mecanismos de transferência gênica ou de mutações pontuais no cromossomo. No primeiro caso, você aprendeu que as bactérias utilizam três mecanismos pra transferir sequências de DNA plasmidial ou cromossômico: a transformação, a transdução e a conjugação. Também foram discutidos os tipos de mutação que podem ocorrer espontaneamente ou de forma induzida no cromossomo bacteriano.

AutoavaliaçãoEm uma transformação, a célula receptora geralmente está morta. Explique essa afi rmativa.

3


No esquema abaixo, observa-se o ciclo lítico de um bacteriófago. Descreva os processos que ocorrem em cada uma das fases, numeradas de 1 a 5.

Fonte: <http://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/2BCH/B5_MICRO_INM/T51_

MICROBIOLOGIA/ejercicios/Diapositiva5.GIF>. Acesso em: 7 out. 2009.

4

5


Diferencie transdução especializada de transdução generalizada.

Explique os três mecanismos básicos de transferência de genes entre bactérias.

Anotações


Referências MADIGAN, Michael T.; MARTINKO, John M.; PARKER, Jack. Microbiologia de Brock. 10. ed. New Jersey: Prentice Hall, 2004.

PELCZAR JÚNIOR, Michael. Microbiologia: conceitos e aplicações. São Paulo: Makron Books, 1997.

RAVEN, Johnson. Biology. 6th ed. New York: Mc Graw-Hill, 2001.

TORTORA, Gerard J.; FUNKE, Berdell R.; CASE, Christine L. Microbiologia. 8. ed. Porto Alegre: ArtMed, 2005.

TRABULSI. Microbiologia. 3. ed. São Paulo: Atheneu, 1999.

Anotações


A diversidade dos microrganismos

9Aula

1

2

3


Apresentação

Você já deve ter compreendido que, de uma forma ou de outra, os microrganismos infl uenciam as nossas vidas e, por isso, saber o que eles fazem no ambiente se torna uma tarefa da maior importância. No entanto, por serem microscópicos e não poderem

ser visualizados a olho nu, a maioria das pessoas só consegue perceber a existência dos microrganismos quando fi ca doente devido à ação de algum deles. Dessa forma, muitas vezes só conhecemos seu lado negativo. Nesta aula, queremos demonstrar a diversidade dos microrganismos, reforçando o fato de que somos afetados direta e diariamente, tanto de forma positiva quanto negativa pelas atividades microbianas. Como você já viu, há milhares de espécies de microrganismos que reciclam a matéria morta, fortalecendo as bases das cadeias alimentares e contribuindo decisivamente para a composição e manutenção da vida no planeta. Há também, uns poucos que causam doenças. Vamos conhecer agora quantos e quais são os microrganismos.

ObjetivosCompreender a classifi cação dos microrganismos nos Domínios da vida.

Reconhecer as diferenças entre Archaea e Bacteria.

Identifi car aspectos gerais dos grupos de microrganismos.

Atividade 1


A vida microbiana nos primórdios da Terra

Restos fossilizados encontrados em rochas antigas comprovam a existência da vida microbiana no início da formação do nosso planeta. Microfósseis com formas bacterianas de bacilos, cocos e fi lamentos se apresentam em estromatólitos com mais de 3 bilhões de anos, confi rmando a existência de microrganismos pouco tempo depois de a Terra ter sido formada.

Estromatólito

Estrutura fossilizada de massa microbiana com

idade de cerca de 3,5 bilhões de anos.

Figura 1 – Estromatólitos com 3,4 bilhões de anos descobertos por pesquisadores na Austrália

Foto: Abigail Allwood.

Reveja as aulas iniciais da disciplina Biodiversidade e descreva como era a atmosfera da Terra primitiva. Como os primeiros microrganismos obtinham energia para sobreviver?


Entendendo o planeta dos microrganismos

Imagine um tempo em que sequer se imaginava que pudessem existir organismos microscópicos, e que eles eram os causadores de muitas doenças. Esse tempo, você sabe, já existiu. Hoje, precisamos ter consciência de que, mais do que causar doenças, a maioria dos microrganismos é fundamental para a manutenção da nossa vida, e que apenas uma pequena parcela das espécies existentes nos causam danos. Ao falarmos de microrganismos, relembre que estamos nos referindo a bactérias, vírus, protozoários e alguns tipos de fungos microscópicos. Nós dependemos da maioria desses organismos de várias formas. Eles produzem oxigênio, do qual necessitamos, nos mantêm saudáveis, são fontes de drogas que curam doenças, auxiliam nossa digestão, dentre tantas outras atividades benéfi cas. Alguns dos microrganismos que vivem no nosso corpo competem por espaço com espécies patogênicas, numa relação mutualística em que somos benefi ciados por sermos protegidos de doenças e os microrganismos conseguem um espaço para viver dentro de nós!

Os microrganismos são como grandes parceiros nossos: desde o momento em que nascemos, somos invadidos por eles, com quem passamos a conviver eternamente. Um dado muito impressionante é o fato de que a maioria das células que temos no nosso corpo sejam microrganismos e não nossas próprias células!

Quão diversos são os microrganismos?Mais de três bilhões de anos atrás, os microrganismos deram início a um processo

que fi nalmente permitiria a evolução da vida na Terra. Naquela época, o nosso planeta era muito diferente do que é hoje e não havia animais ou plantas, mas apenas seres unicelulares microscópicos vivendo nos oceanos. O dióxido de carbono e as concentrações de metano eram muito elevados, e o oxigênio era tóxico para a maior parte da vida no planeta.

Gradualmente, alguns desses microrganismos começaram a captar a energia do Sol através da fotossíntese, e fi nalmente, a liberação de oxigênio como um subproduto da quebra das moléculas de água nesse processo aconteceu. A Terra começou a fi car repleta de oxigênio, e há cerca de 650 milhões de anos, a atmosfera já continha oxigênio em quantidade sufi ciente para sustentar a vida de organismos multicelulares, como conhecemos hoje.


Fonte: Adaptado de Tortora et al (2005).

Figura 2 – Diversidade de microrganismos

Fenotípicas

Que têm o mesmo conjunto de caracteres

anatômicos, fi siológicos e antigênicos.

A construção do conceito de “diversidade microbiana” surgiu da clássica sistemática microbiana, a qual estava baseada nas diferenças fenotípicas e de características fi siológicas. O conceito de diversidade microbiana também se baseou nas inferências sobre possíveis interações entre os organismos isolados de ecossistemas semelhantes. Agora, é possível observar claramente as variações nas formas e funções microbianas em diversas comunidades ecológicas devido às novas técnicas que são empregadas nessa área.

Avaliações comparativas entre grupos, com o uso de técnicas moleculares, têm revolucionado os conceitos tradicionais de diversidade microbiana, e essas comparações permitem compreender o papel das comunidades microbianas na manutenção da integridade dos ecossistemas.

Embora organismos multicelulares sejam visualmente mais interessantes aos olhos, os microrganismos constituem a forma mais abundante e diversifi cada que existe, tendo um forte papel na manutenção das condições atmosféricas e químicas necessárias para a sobrevivência de todas as formas de vida “superiores”. Na verdade, todas as formas de vida multicelulares são habitadas por microrganismos.

Atividade 2


Já percebeu como os microrganismos são muito diversos em

todos os seus aspectos: aparência, metabolismo, fi siologia e genética?

Você já conhece os conceitos de sistemática e classifi cação. Relembre e reescreva esses conceitos.


Os esquemas de classifi cação dos microrganismos

Considera-se que há cinco principais grupos de microorganismos: Archaea, bactérias, algas, protozoários e fungos. As Archaea e bactérias são formadas por células procarióticas. As algas unicelulares e protozoários (em conjunto chamados de Protistas) e os fungos são formados por células eucarióticas, semelhantes às de plantas e animais.

Você já sabe que podemos considerar a organização dos seres vivos de acordo com o sistema de classifi cação dos três domínios. No Quadro 1 a seguir, estão estabelecidas, para que você possa rememorar, as diferenças existentes entre esses três domínios.

Característica Bacteria Archaea Eukarya

Carioteca Ausente Ausente Presente

Parede celular Presença de peptidoglicano

Ausência de peptidoglicano

De sílica (em Diatomáceas); celulose (algas e plantas); quitina (fungos)

Mitocôndria Ausente Ausente Presente

Cloroplastos Ausente Ausente Presente em plantas e algas

DNA 01 cromossomo 01 cromossomo Vários cromossomos

Habitat Em todos os ambientes Frequentemente em ambientes extremos

Em ambientes que não sejam extremos

Quadro 1 – Comparando os domínios Bacteria, Archaea e Eukarya

Figura 3 – Diversidade morfológica e tintorial de colônias

Fonte: <http://static.hsw.com.br/gif/bacteria-2.jpg>. Acesso em: 16 dez. 2009.

Agora, vejamos as características gerais desses grupos que compõem os organismos que só podemos enxergar através do microscópio.

DOMINIO BACTERIA

BACTERIASVERDES NODEL AZUFRE

BACTERIASVERDES

DEL AZUFRE

DEINOCOCCI

ESPIROQUETASFLAVOBACTERIAS

DEFFERIBACTER

CYTOPHAGA

VERRUCOMICROBIOS

PLANTOMYCES/PIRELLA

CHLAMYDIA

CYANOBACTERIA

BACTERIASGRAM POSITIVAS

NITROSPIRA

High GC

Low GC

PROTEOBACTERIAS

AQUIFEX

THERMODESULFOBACTERIUM

THERMOTOGA

αβγ

δμ


Domínio BacteriaAs bactérias são organismos unicelulares procariontes. Elas possuem um único tipo de

parede e membrana celulares que as distinguem das Archaea. Vivem em todos os lugares na Terra onde a vida é possível, exceto nos ambientes mais extremos, inclusive em associações com animais e plantas. A maioria é benéfi ca, mas algumas causam doenças.

Análises fi logenéticas atuais das bactérias têm demonstrado a existência de mais de 20 grupos distintos. A maioria dos grupos listados consiste em fi los distintos, e alguns são agora subdivididos em mais de um fi lo. Muitos grupos são compostos por membros fenotípica e fi siologicamente independentes. Além disso, em alguns grupos (por exemplo, Proteobacteria e Gram-positivos), há uma considerável diversidade fi logenética, o que não aparece na grande árvore da vida.

Figura 4 – Filos do Domínio Bacteria

Fonte: <http://erasmus.ugr.es/fi lo/imgcomun/dominio-bacteria.gif>. Acesso em: 16 dez. 2009.

Os principais grupos do Domínio Bacteria

a) Bactérias fotossintetizantes púrpuras e verdes: realizam fotossíntese anoxigênica, ou seja, sem produção de oxigênio, conforme você já viu anteriormente.

b) Proteobactérias: constituem o mais diverso grupo de bactérias, incluindo desde bactérias fi xadoras de nitrogênio em nódulos de leguminosas até bactérias entéricas como a Escherichia coli. Em 2002, as proteobactérias consistiam de mais de 460 gêneros e mais de 1600 espécies, espalhadas por 5 grandes linhas fi logenéticas de ascendência: as “classes Alphaproteobacteria”, “Betaproteobacteria”, “Gammaproteobacteria”, “Proteobactérias delta” e “Epsilonproteobacteria”. Englobam uma grande parte dos procariotos Gram-negativos, incluindo espécies de interesse na medicina, veterinária, indústria e agricultura.

Atividade 3


As cianobactérias (Figura 5 a seguir) também estão organizadas no Domínio Bacteria. Descreva as características principais desse grupo, a partir de uma pesquisa que pode ser feita em sites confi áveis da internet ou nos livros disponíveis no polo. Peça orientação ao seu tutor.

Figura 5 – Cianobactérias

Fonte: <http://universe-review.ca/I11-30-cyanobacteria.jpg>. Acesso em: 16 dez. 2009.

HALOBACTERIUM

ARCHAEOGLOBUS

Euryarchaeota

Crenarchaeota

METHANOBACTERIUM

HALOCOCCUS

METHANOTHERMUS

DESULFUROCOCCUS

“Korarchaeota”

CRENARCHAEOTA MARINOS

NATRONOCOCCUS

METANÔGENOSHALÓFILOS

THERMOCOCCUSPYROCOCCUS

METHANOCALDOCOCCUS

METHANOSACINA

THERMOPROTEUSMETHANOSPIRILLUM

FERROPLASMAMETHANOPYRUS

PICROPHILUS

SULFOLOBUS

PYRODICTIUM

THERMOPLASMA

EURYARCHAEOTA MARINOS


Domínio ArchaeaAs arqueobactérias são um grupo de células procariontes, unicelulares, que muitas vezes

vivem em ambientes extremos, como aqueles com altas temperaturas, pH baixo ou altas concentrações de sal. Elas são especifi camente adaptadas a essas condições devido a presença de tipos especiais de membranas e um metabolismo diferenciado.

Figura 6 – Filos do Domínio Archaea

Fonte: <http://erasmus.ugr.es/fi lo/imgcomun/dominio-archaea.gif>. Acesso em: 16 dez. 2009.

Com base em sua fi siologia, as Archaea podem ser organizadas em três tipos: metanogênicas (produtoras de metano); halófi las extremas (que vivem em concentrações muito elevadas de sal) e hipertermofílicas (que vivem em temperaturas muito elevadas). Além das características que as distinguem das bactérias, como a ausência de peptidoglicano na parede celular, as Archaea possuem outros atributos estruturais ou bioquímicos únicos que lhes permitem adaptar-se aos seus habitats particularmente inóspitos.

Metanogênicas

São anaeróbios obrigatórios, não tolerando a exposição ao oxigênio. Ambientes anaeróbicos incluem sedimentos marinhos e de água doce, pântanos e solos profundos, o trato intestinal dos animais, e estações de tratamento de esgoto. São habitantes normais do rúmen de vacas e outros animais ruminantes. O produto fi nal de seu metabolismo, o gás metano, acumula-se no seu ambiente, representando um dos gases do chamado efeito estufa.

Sabia que a vaca arrota cerca de 50 litros de gás metano por dia durante o processo de ruminação?

Atividade 4


Halofílicas

Vivem em ambientes naturais, como o Mar Morto, ou lagoas de evaporação da água do mar, onde a concentração de sal é muito elevada. Esses organismos requerem sal para o crescimento e não conseguem crescer a baixas concentrações de sal. Na verdade, as células lisam a baixas concentrações de NaCl. Suas paredes celulares, ribossomos e enzimas são estabilizados por Na+. São heterótrofos que respiram aerobicamente.

Hipertermófi las

Organismos que requerem uma temperatura muito alta (80 a 105 graus) para seu crescimento. Suas membranas e enzimas são extraordinariamente estáveis em altas temperaturas. A maioria destas Archaea exige enxofre elementar para o crescimento e algumas são anaeróbias, utilizando o enxofre como um aceptor de elétrons para a respiração no lugar de oxigênio. Hipertermófi las são habitantes de ambientes quentes, geralmente associados ao vulcanismo, como fontes termais, gêiseres e fumarolas no Parque Nacional de Yellowstone e outros lugares, fontes hidrotermais e rachaduras no fundo do oceano.

Pesquise na internet sobre o efeito do gás metano na atmosfera. Resuma a ideia principal desse efeito.

Atividade 5


As Archaea são Gram-positivas ou Gram-negativas?

Embora a reação de Gram dependa tanto do formato estrutural como da composição química da parede celular das bactérias, a maioria das Archaea são Gram-negativas, independentemente de sua estrutura básica ou da composição química. Uma exceção interessante é Methanobacterium formicicum, que se cora como Gram-positiva, uma vez que a sua parede celular contém pseudomureína, um tipo diferente de peptidoglicano. Observações mostram que, em uma preparação de Gram, com uma população microbiana mista contendo arqueobactérias e bactérias, as Archaea se coram como células Gram-negativas, e as células Gram-positivas são provavelmente bactérias.

Comparando arqueobactérias e eubactériasArqueobactérias e bactérias são semelhantes no sentido de que ambas têm uma célula

procariótica, mas elas variam consideravelmente, em termos bioquímicos e moleculares:

� Parede celular: Ambos os tipos de bactérias normalmente têm paredes celulares que cobrem a membrana plasmática, reforçando a célula. As paredes celulares das eubactérias são formadas de um complexo estrutural chamado peptidoglicano, uma espécie de malha que dá à parede celular das eubactérias grande força. As paredes das células das arqueobactérias carecem de peptidoglicano.

� Membrana plasmática: Todas as bactérias têm membrana plasmática formada por uma bicamada lipídica (reveja a Aula 1 – Comparando células procarióticas e células eucarióticas). Os lipídeos que formam as membranas plasmáticas de eubactériase arqueobactérias, no entanto, são formados de tipos muito diferentes de lipídios.

� Processo de tradução genética: As Eubactérias possuem proteínas ribossomais e uma RNA polimerase que diferem muito das células eucarióticas. No entanto, as proteínas e o RNA ribossomal de arqueobactérias são muito semelhantes a elas.

Pesquise sobre a espécie bacteriana Thermus aquaticus e a sua importância para o campo da Biologia de hipertermófi los e para a Biologia molecular. Peça orientação ao seu tutor.


Os microrganismos eucariontesNem todos os microrganismos são procariontes. Alguns grupos de eucariontes possuem

células microscópicas.

Os protozoáriosProtozoários são organismos eucariontes semelhantes a animais, não-fotossintetizantes

comuns em ambientes úmidos, incluindo o trato intestinal dos animais. A maioria dos protozoários é móvel porque, uma vez que são predadores de outros microrganismos, necessitam buscar e ingerir os alimentos. Alguns deles causam algumas doenças importantes, como a malária e a doença de Chagas.

Fungos microscópicosOs fungos são eucariontes não fotossintetizantes, geralmente móveis, que absorvem os

nutrientes diretamente do meio ambiente. O reino compreende também os cogumelos, bolores e leveduras. As leveduras são unicelulares, e os bolores e cogumelos, apesar de terem uma forma vegetativa multicelular, produzem esporos unicelulares.

Muitos fungos vivem principalmente no solo e são responsáveis pela decomposição (biodegradação) do material orgânico. Eles também podem ser uma importante causa de doenças de plantas e motivo da deterioração dos alimentos. Alguns causam doenças no homem e em outros animais.

Figura 7 – Aspergillus nidulans, um fungo

Fonte: <http://textbookofbacteriology.net/themicrobialworld/Asp.nidulans.jpg>.

Acesso em: 17 dez. 2009.

Resumo


Vírus – entidades biológicas acelularesOs vírus são constituídos por ácidos nucléicos (DNA ou RNA) e proteínas e, como você

já sabe, têm algumas das características que se relacionam ao que é vivo. Mas faltam-lhes ribossomos para a síntese de proteínas, membranas e os meios enzimáticos para gerar energia, que são propriedades típicas das células. O estudo dos vírus tornou-se um grande ramo da Microbiologia, e embora sejam estudados nessa área, não devem ser considerados microrganismos, uma vez que não constituem células.

Os vírus são considerados parasitas intracelulares obrigatórios, pois eles só podem se replicar em associação com uma célula hospedeira por eles infectada. Todos os tipos de células – plantas, animais e microrganismos – são suscetíveis a infecções por vírus. Como a maioria das infecções virais danifi ca as células hospedeiras, os vírus são agentes de muitas doenças. Embora os vírus sejam muito pequenos para serem vistos por microscopia óptica convencional, eles podem ser visualizados e fotografados por meio de microscopia eletrônica.

Figura 8 – Vírus ebola

Nesta aula, pudemos conhecer a grande diversidade de microrganismos existente. As diferenças entre os grupos procarióticos Archaea e Bacteria foram enfatizados. Vimos que as Archaea compreendem grupos que vivem em ambientes extremos e que as bactérias compõem a maior parte dos organismos, incluindo as patogênicas. As características gerais dos grupos de protozoários, fungos e vírus foram apresentadas.

Fonte: <http://wvlc.uwaterloo.ca/biology475/Emerging_Diseases/

Virus_hemorrhagic/ebola.jpg>. Acesso em: 16 dez. 2009.

1

2

3


AutoavaliaçãoEstabeleça as diferenças entre os Domínios Bacteria e Archaea.

Compare os domínios Bacteria e Archaea com Eukarya.

Explique por que os vírus não são considerados microrganismos, embora sejam estudados na área da Microbiologia.

Referências CANHOS, V. P.; MANFIO, G. P. Recursos microbiológicos para biotecnologia. Disponível em: <http://www.inpa.gov.br/~cpca/charles/pdf/Canhos-Manfi o_Rec-biol_2001.pdf>. Acesso em: 16 dez. 2009.

KERSTERS, K. et al. Introduction to the proteobacteria. Prokaryotes, n. 5, p. 3-37, 2006.

MADIGAN, Michael T.; MARTINKO, John M.; PARKER, Jack. Microbiologia de Brock. 10. ed. New Jersey: Prentice Hall, 2004.

SILVA, Alline Braga. A importância das bactérias para a vida. 2009. Disponível em: <http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fi chaTecnicaAula.html?aula=1523>. Acesso em: 16 dez. 2009.

TORTORA, Gerard J.; FUNKE, Berdell R.; CASE, Christine L. Microbiologia. 8. ed. Porto Alegre: ArtMed, 2005.

Anotações


Os microrganismos auxiliam a (re)circulação da matéria no planeta

10Aula

1

2

3

4

5


Apresentação

Na Aula 5 (Obtenção de energia para a vida microbiana), estudamos alguns processos através dos quais bactérias, arqueobactérias, fungos e protozoários obtêm a energia necessária para suas atividades celulares. Nesses processos, os microrganismos

extraem a energia de substratos orgânicos ou inorgânicos, transferindo-a para o ATP. Agora, veremos o processo que faltava para completarmos nossa compreensão sobre o metabolismo microbiano: a fotossíntese.

Você descobrirá, nessa aula, as semelhanças e diferenças entre a fotossíntese realizada por procariotos e eucariotos. Concluindo nosso estudo sobre o metabolismo microbiano, vamos classifi car os microrganismos em diferentes tipos metabólicos com base em sua forma de obtenção de energia e nutrição. Veremos também, nessa aula, que a fotossíntese é uma etapa fundamental do ciclo do carbono na natureza. Você entenderá como o metabolismo dos microrganismos está associado à sua conhecida função de decompositores na natureza. A circulação de matéria no planeta depende da respiração, fermentação e fotossíntese realizadas por procariotos e eucariotos microscópicos. Você vai se convencer que os microrganismos são os principais atores das transformações bioquímicas na Terra!

ObjetivosExplicar o processo de fotossíntese realizado por microrganismos procariotos, diferenciando-o daquele que ocorre nas plantas e em algas.

Identifi car a classifi cação os seres vivos quanto aos tipos nutricionais com base nos processos de obtenção de energia e principal fonte de carbono.

Defi nir o conceito de mineralização da matéria orgânica.

Descrever as etapas do metabolismo microbiano responsáveis pela circulação do carbono e do nitrogênio.

Identificar a influência do ser humano nos ciclos do carbono e do nitrogênio.

Atividade 1

1

Gás Carbônico

Água + Sais Minerais

Energia Solar

Glicose

OxigênioOxigênio

Esquema da Fotossíntese


A vida no planeta depende da fotossíntese

Você viu na Aula 6 (A diversidade (quase) invisível) e 7 (Protistas I – microrganismos produtores) da disciplina “Biodiversidade” que os organismos autotrófi cos, como plantas e microalgas, fabricam uma nova matéria orgânica que é posteriormente

consumida por seres heterotrófi cos. Através da fotossíntese, as algas produzem boa parte do alimento que fornece suporte para o crescimento dos seres heterotrófi cos, incluindo animais como peixes, crustáceos, dentre outros. A fotossíntese é o processo catabólico que sustenta a síntese de grande parte da matéria orgânica do planeta e, além do seu papel de regulador da concentração atmosférica de CO

2, é a fonte do O

2 que respiramos.

Agora veremos que, além das algas, alguns procariotos também fazem fotossíntese, usando esse processo para obterem energia (ATP), como você viu na Aula 5 dessa disciplina.

Analise a Figura 1 a seguir e descreva resumidamente o processo de fotossíntese em seres eucariotos.

Figura 1 – Esquema geral da fotossíntese em organismos eucariotos

Fonte: <http://vivendociencias.blogspot.com/2008/11/fotossintese.html>. Acesso em: 2 dez. 2009.

2


Os eucariotos fotossintetizantes são as algas e as plantas verdes. Verifi que na Atividade 3 da Aula 5 quais são os procariotos capazes de fazer fotossíntese. Em seguida, escreva no espaço abaixo quais são eles:


Bactérias protagonistas do processo de fotossíntese: principais características

As bactérias capazes de usar a luz como fonte de energia compreendem um grupo numeroso e heterogêneo de organismos, tendo como característica comum a presença de pigmentos fotossintetizantes e a capacidade de gerar ATP através da fotofosforilação, processo que veremos adiante. Dentre esses organismos, dois grandes grupos são reconhecidos:

� as bactérias púrpuras e verdes

� as cianobactérias

Analisando a Figura 1, você deve ter concluído que a fotossíntese consiste na fabricação de glicose utilizando dióxido de carbono (CO

2), água (H

2O) e minerais, sendo também

produzido oxigênio gasoso (O2). Dizemos, então, que na fotossíntese ocorre a transformação

da energia luminosa em energia química, que é armazenada na glicose, o composto orgânico produzido. Essa transformação entre formas de energia caracteriza a fotossíntese tanto em eucariotos quanto em procariotos. Em ambos os grupos o processo fotossintético é dependente de pigmentos fotossensíveis que absorvem a energia luminosa.

A semelhança da fotossíntese entre procariotos e eucariotos para por aí. Os tipos de pigmentos presentes e sua disposição na célula são variáveis nesses grupos e até mesmo dentro dos grupos (veja o destaque abaixo). Por exemplo, a clorofi la, o pigmento verde presente em plantas e algas (eucariotos) e cianobactérias (procariotos) é ausente nas demais bactérias fotossintetizantes. Bactérias verdes e púrpuras, por sua vez, possuem um pigmento relacionado à clorofi la, chamado bacterioclorofi la.

Variações dos tipos de pigmentos

Existem variados tipos de moléculas de clorofi la, que diferem no número de átomos de carbono, hidrogênio ou oxigênio, e são denominadas clorofi la-a, clorofi la-b, clorofi la-c e clorofi la-d. Dentre esses, a clorofi la-a é a única considerada universal, ou seja, presente em virtualmente todos os seres fotossintetizantes eucariotos e cianobactérias, enquanto as demais estão presentes em alguns organismos e ausentes em outros. Nas bactérias púrpuras podem aparecer bacterioclorofi las a ou b. Nas bactérias verdes, além desses dois tipos, também podem estar presentes bacterioclorofi las c e d. As cores que caracterizam os procariotos fototrófi cos estão


relacionadas não apenas à clorofi la ou bacterioclorofi la, mas a outros pigmentos acessórios, que também atuam na captação de luz para a fotossíntese.

A coloração verde-azulada da maioria das cianobactérias pode ser explicada pela presença dos pigmentos clorofi la-a (verde) e fi cocianina (azul). Porém, carotenoides (amarelo-laranja) e a fi coeritrina (vermelho) podem estar presentes, dependendo da espécie. Algumas espécies podem apresentar mais de um tipo de pigmento, o que explica a existência de cianobactérias das mais variadas cores. Pigmentos carotenoides são responsáveis pela cor das bactérias púrpuras (roxa). Mas essas bactérias também podem se apresentar cor-de-rosa, marrom ou marrom-avermelhado, dependendo dos tipos de pigmentos carotenoides presentes. Além disso, muitas bactérias “verdes” são na verdade marrons por causa desses pigmentos. Então, a cor não é um critério confi ável para a identifi cação das bactérias fototrófi cas.

As estruturas que contêm os pigmentos fotossensíveis também variam. Você se lembra qual organela citoplasmática contém os pigmentos fotossintetizantes em plantas? Trata-se do cloroplasto, e ele é encontrado também em algas microscópicas, mas não em cianobactérias e demais procariotos. Lembre-se que procariotos são desprovidos de organelas citoplasmáticas, e que a membrana celular assume muitas funções do metabolismo procariótico, como ser o local onde ocorre a cadeia respiratória que estudamos na Aula 5.

A membrana citoplasmática também assume um papel central na fotossíntese bacteriana. Nas bactérias púrpuras os pigmentos responsáveis pela fotossíntese estão localizados em invaginações da membrana que contêm todo o aparato fotoquímico. Nas bactérias verdes, formam-se invaginações que se destacam da membrana e constituem vesículas chamadas clorossomos (ver Figura 2). Nas cianobactérias, o sistema fotossintetizante é mais complexo, formado por lamelas membranosas dispostas em varias camadas, os tilacoides (Figura 3), semelhantes aos cloroplastos (exceto pela presença de membrana abrigando as lamelas).

Pigmentos acessórios

Auxiliam na absorção de luz e na transferência da energia radiante para os centros de reação.

a

b


Figura 2 – Fotografi a feita através de microscopia eletrônica. Chlorobium tepidum, uma bactéria verde

Fonte: <www.bio.ku.dk/nuf/research/chlorosome.htm>. Acesso em: 2 dez. 2009.

Figura 3 – Fotografi as feitas através de microscopia eletrônica. a) Célula de uma cianobactéria evidenciando tilacoides; b) Detalhe dos tilacoides na célula de cianobactéria

Fonte: <www.pnas.org/content/102/3/850/F2.expansion>. Acesso em: 2 dez. 2009.

Atividade 2


Complete a tabela abaixo, considerando o que você acabou de estudar.

Microrganismo Pigmentos Localização na célula

Algas

Cianobactérias

Bactérias verdes

Bactérias púrpuras

Onde podemos ver bactérias fotossintetizantes?

Cianobactérias são também chamadas de algas azuis (ou verde-azuladas) e são amplamente encontradas na natureza. Estão distribuídas na água de lagos, rios, oceanos. São também encontradas na superfície do solo e colonizando superfícies de plantas e rochas.

Grandes quantidades de bactérias púrpuras e verdes são frequentemente encontradas nas partes mais profundas e anaeróbicas de lagos, desde que haja quantidade sufi ciente de luz e de H

2S (veremos depois o porquê). Um dos locais onde mais facilmente se encontram

bactérias verdes e púrpuras na natureza são as fontes de água sulfurosa. Em regiões costeiras, grandes quantidades dessas bactérias ocorrem em piscinas de águas salobras e salgadas rasas e quentes não conectadas com o mar, onde existe H

2S em abundância. Fontes termais são

habitats para uma variedade de bactérias verdes e púrpuras. A bactéria Chlorofl exus forma espessos tapetes (frequentemente em associações com cianobactérias) em fontes termais com temperaturas de 40 a 70°C. Uma espécie do grupo das bactérias púrpuras, a Chromatium tepidum, cresce em fontes termais sulfurosas a temperaturas de até 60°C.

Fonte termal

Emergência de água subterrânea aquecida, seja pelo calor causado pelo gradiente geotérmico, seja por processos de vulcanismo. As fontes termais existem em toda a Terra, incluindo o fundo dos oceanos.

Atividade 3


Todos os seres fotossintetizantes produzem oxigênio?

Você já reconheceu exemplos de procariotos fotossintetizantes, e identifi cou algumas variações na composição dos pigmentos e local onde são armazenados nas células eucariotas e procariotas. Agora, vamos estudar as diferenças fundamentais no processo fotossintético em si. Para tanto, você deve acompanhar a Figura 4 ao longo do texto a seguir. A fotofosforilação cíclica – Figura 4(a) –, que descreveremos adiante, caracteriza a fotossíntese de todos os procariotos com exceção às cianobactérias. A fotofosforilação acíclica – Figura 4(b) – corresponde ao modelo de fotossíntese em eucariotos e cianobactérias.

Em todos os grupos de organismos, o evento primário da fotossíntese é a absorção da energia luminosa pelos pigmentos fotossintetizantes, que leva à excitação de alguns elétrons da clorofi la ou bacterioclorofi la. Os elétrons excitados transferem-se da molécula do pigmento para a primeira de uma série de moléculas transportadoras, uma cadeia de transporte de elétrons semelhante àquela utilizada na respiração (ver Aula 5). Assim como acontece na respiração,

Leia o texto anterior e depois relate em quais ambientes podemos encontrar organismos procariotos fototrófi cos.

Fotofosforilação

Produção de ATP pela fotossíntese.

Cadeia de transportede elétrons

Cadeia de transportede elétrons

Energia paraproduçãode ATP

Energia paraproduçãode ATP

Luz

Luz

Fotofosforilação cíclica

Elétronsexcitados(2 e–)

NADP+

NADPH

ATP

(2 e–)

H+H2O

O22

1—

H++

Fotofosforilação acíclica

Transportador de elétrons

Bacterioclorofila

Elétronsexcitados(2 e–)

Clorofila

ATP

a

b


Figura 4 – Fotofosforilação (a) cíclica e (b) acíclica


na medida em que os elétrons são passados junto à série de transportadores, prótons são bombeados através da membrana, promovendo a formação de um gradiente de prótons, e ADP é convertido a ATP pela quimiosmose, já descrita na citada Aula 5. Até aqui, o processo é basicamente o mesmo em procariotos e eucariotos. A partir de agora, vamos identifi car diferenças. Quais são elas?

Atividade 4


Analise a Figura 4 e descreva as diferenças no processo de fotossíntese entre procariotos – Figura 4(a) – e eucariotos e cianobactérias – Figura 4(b).

Atividade 5


Você deve ter notado que no primeiro esquema – Figura 4(a) – há um retorno dos elétrons para a molécula do pigmento após a produção de ATP. Por isso esse processo é denominado de fotofosforilação cíclica. Nesse processo, elétrons liberados do pigmento pela ação da luz retornam à bacterioclorofi la após passarem através da cadeia de transporte de elétrons, gerando a produção de ATP.

Diferentemente, na fotofosforilação acíclica, elétrons liberados a partir da clorofi la são repostos por elétrons provenientes da molécula de água, a partir da qual se forma o oxigênio – veja a Figura 4(b). Os elétrons da clorofi la são encaminhados através da cadeia de transporte de elétrons para o aceptor de elétrons NADP+, gerando a produção de ATP. O NADP+ combina com os elétrons e com íons hidrogênio da água formando NADPH. Esta coenzima, assim como o NADH (veja a Aula 5), é uma molécula transportadora de alta energia que será usada nas reações escuras, como veremos mais tarde.

Baseado no que você acabou de aprender, e com auxílio da Figura 4, complete o quadro abaixo.

Fotossíntese Organismos Produção de O2 (sim ou não)

Oxigênica

Anoxigênica

NADPNADP+

Nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato, uma coenzima similar ao NAD+.


A transformação do COCO2

em moléculas orgânicasA fotossíntese ocorre em duas etapas. A primeira delas, dependente da luz, é denominada

de reações luminosas, quando ocorre o processo de fotofosforilação que acabamos de estudar. Você viu que nas reações luminosas a energia luminosa é usada para converter ADP e fosfato em ATP. A segunda etapa, chamada de reações escuras, é independente da luz e caracteriza-se pela conversão do CO

2 em açúcar.

A segunda etapa, caracterizada pelas reações escuras, pode ocorrer na ausência de luz, e na maioria dos fototrófi cos elas são caracterizadas por uma série de reações em uma via cíclica complexa chamada de ciclo de Calvin-Benson. Nesse ciclo, dizemos que o CO

2 é “fi xado”. Isso

porque este composto é incorporado nas moléculas de açúcares sintetizadas pela célula. Para tanto, a célula necessita de energia do ATP e da energia redutora proveniente dos elétrons do NADPH. Onde a célula obtém toda essa energia?

Os organismos oxigênicos, que desempenham a fotofosforilação acíclica, produzem durante esse processo o ATP e NADPH necessários à fi xação do CO

2. Já a fotofosforilação

cíclica das bactérias anoxigênicas não gera coenzimas reduzidas (NADPH). Essas bactérias utilizam compostos como o gás sulfídrico (H

2S ), o tiossulfato (S

2O

32–), o gás hidrogênio

(H2) ou até mesmo o ferro ferroso (Fe

2+) como doadores de elétrons para reduzir NADP+ a

NADPH e, posteriormente, transformar CO2 em açúcares.

Podemos representar a fotossíntese através das equações abaixo. Lembre-se que no caso da fotossíntese anoxigênica (Equação 2), outros produtos fi nais podem aparecer no lugar do S 0 dependendo do doador de elétrons.

1) Fotossíntese oxigênica:

luz6CO

2 + 12H

2O C

6H

12O

6 + 6H

2O + 6O

2 Eq. 1

2) Fotossíntese anoxigênica:

luz6CO

2 + 12H

2S C

6H

2O + 6H

2O + 12S 0 Eq. 2


Diversidade metabólica entre os organismos

Os processos de obtenção de energia descritos na Aula 5 e até agora nesta aula demonstram a extraordinária variação metabólica encontrada entre os microrganismos. Vamos agora fazer uma síntese sobre isso.

Todos os organismos, incluindo os seres microscópicos, podem ser classifi cados quanto ao seu padrão nutricional, isto é, quanto a sua fonte de energia e de carbono. Considerando a fonte de energia, podemos classifi car os organismos como fototrófi cos, que usam a energia luminosa, ou quimiotrófi cos, que dependem de reações de oxidação-redução de substâncias químicas orgânicas ou inorgânicas para obterem energia. Qualquer que seja a fonte primária, a energia será transferida para formas químicas prontamente utilizáveis pela célula (ATP e NADPH).

Quanto à fonte de carbono, organismos que utilizam exclusivamente o CO2 para fabricar

suas moléculas orgânicas são chamados autotrófi cos. Aqueles que requerem um ou mais compostos orgânicos como fonte de carbono são considerados HETEROTRÓFICOS. Esses conceitos foram discutidos também na Aula 3 (Pequena história da diversidade dos seres vivos) da disciplina “Biodiversidade”. Se combinarmos as fontes de energia com as fontes de carbono, surgirão quatro grupos de organismos, descritos a seguir.

Fotoautotrófi cos: utilizam a luz como fonte de energia e CO2 como única fonte de carbono;

todos os compostos celulares orgânicos são sintetizados graças à fi xação do CO2. Na ausência

de luz, esses organismos obtêm energia da respiração usando sua própria matéria-prima, ou seja, açúcares formados no processo fotossintético. Esses seres podem ser aeróbicos (plantas, algas, cianobactérias) ou anaeróbicos (muitas bactérias verdes e púrpuras).

Quimioautotrófi cos: oxidam compostos inorgânicos reduzidos – como a amônia, nitrito, o sulfeto de hidrogênio (H

2S ) e íons ferro (Fe

2+) – para obtenção de ATP. Vimos essa modalidade

no item “Microrganismos também extraem a energia de substâncias inorgânicas usando o O

2”, na Aula 5. Esses organismos também utilizam o CO

2 como fonte de carbono. Bactérias

nitrifi cantes do gênero Nitrosomonas, que estudaremos adiante, são exemplos desse grupo.

Quimioheterotrófi cos: usam reações de oxidação-redução de compostos orgânicos como fonte de energia e, normalmente, utilizam essas mesmas substâncias orgânicas como fonte de carbono. Tais fontes são muito variáveis e incluem a glicose e outros carboidratos, proteínas, lipídios e até compostos orgânicos menos reativos, como hidrocarbonetos. Os processos de respiração aeróbica a partir de substratos orgânicos e a fermentação (estudadas na Aula 5) são as vias metabólicas mais comuns desse grupo de organismos. A maioria dos procariotos está inserida nessa categoria, incluindo todas as bactérias patogênicas. Todos os eucariotos não fototrófi cos, incluindo fungos e protozoários, também são quimioheterotrófi cos.

Atividade 6


Fotoheterotrófi cos: utilizam a luz como fonte de energia (ATP), mas não podem converter CO

2 a glicose. Então, essas bactérias usam compostos orgânicos, como alcoóis, ácidos

graxos e carboidratos como fonte de carbono. São anoxigênicos, e incluem algumas bactérias verdes e púrpuras.

Resuma, no quadro abaixo, as principais características das categorias metabólicas dos seres vivos, incluindo microrganismos.

FONTE DE CARBONO

FONTE DE ENERGIA

Oxidação-redução de substâncias químicas Luz

COCO2

Grupo:............................................................

Características:...............................................

.......................................................................

.......................................................................

Grupo:............................................................

Características:...............................................

.......................................................................

.......................................................................

Compostos orgânicos

Grupo:............................................................

Características:..............................................

.......................................................................

.......................................................................

Grupo:............................................................

Características:..............................................

.......................................................................

.......................................................................

Atividade 7


O conceito de mineralização da matéria orgânica está implícito no texto da página 13 da Aula 6 da disciplina Biodiversidade.

a) Leia esse texto e deduza o conceito de “mineralização”, registrando sua interpretação no espaço abaixo.

b) Quais são as formas de nitrogênio inorgânico mostradas na Figura 6 da Aula 6 da disciplina “Biodiversidade”?

O destino da matéria orgânica produzida

Agora, você já sabe como a matéria orgânica é produzida na Terra, através de seres fotoautotrófi cos, dentre os quais plantas, microalgas, cianobactérias, bactérias verdes e púrpuras, e quimioautotrófi cos, dos quais apenas procariotos fazem parte. Mas para a continuidade do processo ao longo do tempo, essa matéria orgânica precisa ser reciclada. Para tanto, um conjunto de processos chamado de mineralização da matéria orgânica deve ocorrer.

Ciclo do Carbono Aerobiose

Anaerobiose


Fotossíntese oxigênica

Fermentação

(CH2O)n CO

2CH

4

Metanogênese

Metanotrofia

Fotossíntese anoxigênica

Respiração anaeróbicae fermentação


Figura 5 – O ciclo biológico do carbono

O ciclo do carbonoOs microrganismos procariotos provocam a mineralização da matéria orgânica na medida

em que obtêm energia através da respiração e da fermentação. Nutrientes liberados nesses processos alimentam nova produção de biomassa. Essa sequência “cíclica” caracteriza o que chamamos de ciclos biogeoquímicos. Todos os elementos na natureza percorrem um ciclo particular, do ambiente para os tecidos dos organismos e vice-versa. Veremos agora como microrganismos participam desses ciclos através de dois exemplos: os ciclos do carbono e do nitrogênio.

Fonte: Modifi cada de Dodds (2005).

Na Figura 5, você observa as principais etapas biológicas do ciclo do carbono. Há outros processos físicos e físico-químicos que controlam as entradas e saídas de carbono nos ecossistemas, mas esse não será nosso enfoque aqui. Para conhecer melhor o ciclo global do carbono, veja o vídeo sobre o ciclo do carbono no site do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, através do link indicado nas Leituras complementares.

Podemos compreender as etapas biológicas do ciclo do C começando pela via fotossintética, através da qual o CO

2 é fi xado em moléculas orgânicas tanto aerobiose quanto

em anaerobiose, nos processos de fotossíntese oxigênica e anoxigênica já estudadas nessa aula.

Quando os organismos morrem, a matéria orgânica estocada em sua biomassa é mineralizada, e o carbono orgânico é novamente transformado em CO

2 através da respiração

aeróbica, respiração anaeróbica e fermentação. Algumas poucas bactérias produzem o gás

Atividade 8


metano (CH4) em anaerobiose através da fermentação. Uma produção de metano mais

signifi cativa ocorre na metanogênese realizada por um grupo de Archaea (arqueobactérias), as metanogênicas, que são anaeróbios obrigatórios. Na presença de CO

2, e também de H

2

produzido através da fermentação, esses procariotos usam o CO2 como aceptor fi nal de

elétrons e o H2 como doador de elétrons na respiração anaeróbica. O CO

2 é então reduzido a

CH4. A reação geral da metanogênese é

4H2 + CO

2 CH

4 + 2H

2O

O CO2 é também usado como fonte de carbono pelas arqueobactérias

metanogênicas. Nesse caso, o CO2 não é fi xado pelo ciclo de Calvin-Benson,

mas por outro processo chamado de via acetil-CoA. Em qual categoria nutricional (defi nida na Atividade 6) as metanogênicas podem ser enquadradas?


Você sabia?

� O metano (CH4) é extensivamente encontrado na natureza. É produzido em

ambientes anóxicos por bactérias metanogênicas, e é um dos principais gases em sedimentos anóxicos, pântanos, regiões anóxicas de lagos, no rúmen e no trato intestinal de mamíferos. O metano é o principal componente do gás natural e está também presente em muitas formações de carvão. Recentemente, tem havido um grande interesse nas bactérias que utilizam o metano pela possibilidade de utilização dessa fonte simples e abundante de energia (metano) para a produção de proteína bacteriana para alimentação ou suplemento alimentar.

� O ciclo do C tem recebido grande atenção por parte dos cientistas que procuram compreender os processos envolvidos no aumento do efeito estufa, que tem causado o fenômeno de aquecimento global. O aquecimento global é causado, principalmente, pelo gás carbônico (CO

2), responsável

por 77% do efeito estufa hoje. Embora o metano seja um componente de menor importância no ciclo global do carbono, ele é importante em algumas situações particulares, pois as emissões de metano contribuem para aumentar o efeito estufa na atmosfera. As emissões de metano são da ordem de 1% da quantidade de CO

2, porém o efeito de aquecimento da

molécula de CH4 é 25 vezes maior que a de CO

2.

O metano é uma molécula relativamente estável, mas algumas bactérias, as metanotrófi cas, são capazes de prontamente oxidá-lo, utilizando-o como doador de elétrons para a geração de energia e como única fonte de carbono, processo chamado metanotrofi a. Essas bactérias são todas aeróbias, e amplamente distribuídas nos solos e águas naturais. Elas compõem uma grande diversidade de tipos morfológicos, tendo em comum apenas a habilidade para oxidar o metano.

Atividade 9


Acesse o material educativo do site do INPE, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais <http://videoseducacionais.cptec.inpe.br/>, e assista aos vídeos Mudanças Ambientais Globais, Efeito Estufa e Ciclo do Carbono. Depois, relate no espaço abaixo o que signifi ca efeito estufa e aquecimento global e qual é o papel do CO

2 no aquecimento global.

O ciclo do nitrogênioO nitrogênio (N), assim como o carbono, é um importante macronutriente para os

seres vivos. O nitrogênio está presente nos aminoácidos, proteínas, DNA, RNA e em outros componentes celulares. Desvendaremos agora a intensa participação dos microrganismos no ciclo desse elemento. O ciclo do N tem sido bastante modifi cado pelas atividades humanas. Isso ocorre basicamente porque o crescimento das plantas terrestres é, em geral, limitado pela baixa disponibilidade de N nos solos. Por isso, precisamos fertilizar o solo com nitrogênio para aumentar a produtividade agrícola. Se por um lado tal procedimento ajuda a garantir a produção de alimentos, por outro lado o aumento da concentração de N no solo pode ter como consequência o aumento de sua concentração em rios, lagos e outros ambientes aquáticos, onde seu excesso provoca poluição.

As principais formas de N assimiladas pelas plantas e microrganismos autotrófi cos são o íon amônio (NH

4+) e o nitrato (NO

3–). Partindo dessas formas mais simples de N inorgânico,

as plantas, microalgas e procariotos fabricam aminoácidos e proteínas que constituirão as células. Porém, a maior parte do N na natureza não se encontra nessas formas utilizáveis pelos organismos, e sim na forma de N

2 (Figura 6).

Denitrificadoras(pseudomonas, Bacilus

licheniformis,Paracoccus denitrificans e outras)

Organismos emdeterioração (bactériasaeróbicas e bactériasanaeróbicas e fungos) Procariotos

simbióticos

AmonificaçãoFixaçãoNitrificaçãoDenitrificação

Decomposição

Proteínasde células

mortas

Plantasleguminosas

Nitritos(NO

2 )

–

Nitritos(NO

2 )

–

Nitratos(NO

3 )

–

Amônia(NH

3 )

(N2O

)

(N2 )

Gás nitrogênio livre(N

2) na atmosfera

Fixação

Nitrificação Legenda

Nitrificação

Denitrificação

Assimilação

Amonificação

AzotobacterBeijerinckla

CianobactériasClostridium

Não-simbióticos

Nitrosomonas

Fixaçãoindustrial como

fertilizante


Figura 6 – O ciclo do nitrogênio


Você sabia?

O maior reservatório de nitrogênio do planeta encontra-se na forma de N2,

constituindo 78% da atmosfera!

O N2 pode ser assimilado apenas por certas bactérias e algumas cianobactérias,

através do processo conhecido como fixação biológica do nitrogênio. Os procariotos fi xadores de N

2 dispõem de um sistema enzimático denominado

nitrogenase, que catalisa a redução do N2 a amônia (NH

3), com grande gasto

de ATP, segundo a equação abaixo. Uma vez fabricada a amônia, esta será incorporada a aminoácidos e proteínas (veja a Figura 6).

Fixação Biológica do Nitrogênio

NITROGENASEN2 + 3H

2 2NH

3

Na Figura 6, vemos uma representação da infl uência humana no ciclo do N com fabricação de fertilizantes através de um processo industrial que fi xa o nitrogênio. Os cientistas estimam que o ser humano duplicou a produção de nitrogênio assimilável por plantas e microrganismos, comparado à quantidade de N que é naturalmente reciclada no ciclo desse elemento.

Atividade 10


Observe na Figura 6 que existem duas categorias de procariotos fi xadores de nitrogênio, os de vida livre (não-simbióticos) e os que vivem associados com plantas, principalmente leguminosas. Descubra alguns exemplos que estão faltando na categoria “procariotos simbióticos” fi xadores de N. Para tanto, leia o artigo “Estudo mostra que leguminosas arbóreas podem ajudar a recuperar áreas alteradas na Amazônia” (http://cienciahoje.uol.com.br/4074) e descreva-os. Anote abaixo esses exemplos. Relate também a importância desses microrganismos para a recuperação de áreas degradadas.

Continuando o estudo sobre o ciclo do N, vemos na Figura 6 que compostos orgânicos, inclusive aqueles ricos em N, como proteínas e aminoácidos, serão mineralizados após a morte do organismo ou após a excreção de compostos orgânicos no meio. Em se tratando de proteínas, uma primeira etapa na decomposição (proteólise; veja a Figura 6) envolve uma reação catalisada por enzimas das classes das proteases e peptidases, sintetizadas por microrganismos que usam proteínas como fonte de energia e nutrientes. Compostos resultantes desse processo, os aminoácidos, são, por sua vez, também hidrolisados por ação de enzimas microbianas, tais como a alanina desaminase. Essa etapa pode ser chamada de amonifi cação microbiana, pois a amônia é o principal produto fi nal (veja a Figura 6).

Na etapa seguinte do ciclo do N, a nitrifi cação, a amônia é oxidada a nitrito e este, por sua vez, é oxidado a nitrato (veja a Figura 6). Esses processos correspondem à respiração aeróbica tendo a amônia e o nitrito como fonte de energia (ver equação geral abaixo). As bactérias Nitrosomonas e Nitrobacter, exemplos de microrganismos evolvidos no processo, são quimioautotrófi cas e usam a energia obtida na nitrifi cação para fi xar CO

2.

Simbióticos

Signifi ca “que vivem juntos”, e refere-se a organismos que compartilham um mesmo habitat, estabelecendo algum tipo de interação entre si.

Atividade 11


Nitrifi cação

Ex: Nitrosomonas

2NH3 + 3O

2 2NO –

2 + 2H

2O + 2H+ + E

Ex: Nitrobacter

2NO –2 + O

2 2NO –

3 + E

Nossa descrição sobre o ciclo do N se completa agora com a etapa chamada desnitrifi cação, também realizada exclusivamente por seres procariotos.

Observe a Figura 6 e relate qual é a forma fi nal do N no processo de desnitrifi cação.

A desnitrifi cação ocorre na ausência de oxigênio. Alguns procariotos anaeróbios obtêm energia para o crescimento usando o nitrato como aceptor fi nal de elétrons na respiração anaeróbica. Como fonte de energia (doadores de elétrons), esses organismos usam os variados compostos, orgânicos e inorgânicos. Veja alguns exemplos abaixo:

Atividade 12


Desnitrifi cação

a) Ex: Pseudomonas

4H+ + 4NO –3 + 5(CH

2O) 2N

2 + 5CO

2 + 7H

2O + E

(matéria orgânica)

b) 5H2 + 2KNO

3 N

2 + 2KOH + 4H

2O + E

Observe que o processo que denominamos “ciclo do nitrogênio” constitui para as bactérias formas de obtenção de recursos.

a) Relate no espaço abaixo quais etapas correspondem a processos de obtenção de energia para os microrganismos.

b) Em uma das etapas do ciclo do N não há produção de energia; pelo contrário, os procariotos gastam energia para desempenhá-la. Cite qual é essa etapa e explique qual é o ganho para o microrganismo.

Resumo


Leituras complementaresAGÊNCIA FAPESP. Estrutura da clorofi la. 5 maio 2009. Disponível em: <http://www.agencia.fapesp.br/materia/10442/divulgacao-cientifi ca/estrutura-da-clorofi la.htm>. Acesso em: 2 dez. 2009.

Nesse artigo são descritos resultados de uma pesquisa sobre a extraordinária efi ciência do processo de fotossíntese de um grupo de bactérias verdes que vivem em regiões profundas do Mar Negro.

DÖBEREINER, Johanna. A pesquisa que revolucionou a agricultura. Scientifi c American Brasil, ed. 22, mar. 2004. Disponível em: <http://www2.uol.com.br/sciam/reportagens/a_pesquisa_que_revolucionou_a_agricultura.html>. Acesso em: 29 dez. 2009.

O texto, intitulado A pesquisa que revolucionou a agricultura, relata um pouco da trajetória de Johanna Döbereiner, uma agrônoma que ajudou a desvendar o papel das bactérias no ciclo do nitrogênio. Paralelamente, mostra a importância dessas pesquisas para a agricultura.

Nesta aula, estudamos como ocorre o processo de obtenção de energia através da captação da energia luminosa: a fotossíntese. Vimos que procariotos, com exceção das cianobactérias, não produzem oxigênio durante a fotossíntese. Outras diferenças, tais como pigmentos, localização do processo na célula, entre fotossíntese eucariótica e procariótica foram apresentadas. Concluímos o estudo sobre metabolismo microbiano classifi cando os seres vivos em diferentes tipos nutricionais com base nas fontes de energia e carbono utilizadas. Microrganismos, e especialmente bactérias, estão representadas em todos os tipos nutricionais! Nesta aula, você também teve a oportunidade de reconhecer a intensa participação dos microrganismos nos ciclos do carbono e do nitrogênio, e exemplos de como os seres humanos estão interferindo nesses ciclos.

1

2

3

4

5

6

7


AutoavaliaçãoEstabeleça uma comparação entre a fotossíntese de eucariotos e procariotos quanto aos pigmentos utilizados, local onde o processo ocorre na célula e produtos fi nais.

Sob qual aspecto o aparato fotossintético de cianobactérias assemelha-se ao dos eucariotos fototrófi cos?

Leia o texto Águas Potiguares: Oásis ameaçados (inserido no moodle, na página da disciplina) e responda às questões abaixo, utilizando os conceitos e termos que você aprendeu nessa aula.

a) Explique o que são cianobactérias?

b) Explique por que a água do açude (Figura 4 do artigo) é verde.

c) Relate se você reconhece, em algum corpo d’água da sua região, a situação descrita no artigo.

Estabeleça uma comparação entre o processo de metanotrofi a e metanogênese quanto ao ambiente onde ocorrem (aerobiose/anaerobiose), produtos formados e as funções do CH

4 e CO

2.

Pesquise em artigos e notícias do site do Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (http://www.cptec.inpe.br/) quais são as atividades humanas responsáveis pela emissão de gases estufa. Identifi que na região onde você vive quais são as possíveis fontes desses gases.

Descreva o ciclo do nitrogênio, enfatizando quais são as etapas de ganho e gasto energético, e a necessidade do oxigênio para que as reações ocorram.

Leia o artigo A pesquisa que revolucionou a agricultura <http://www2.uol.com.br/sciam/reportagens/a_pesquisa_que_revolucionou_a_agricultura.html> e descreva qual a importância das bactérias fi xadoras de N para a agricultura.

Anotações


ReferênciasBARBOSA, H. R.; TORRES, B. B. Microbiologia básica. São Paulo: Ed. Atheneu, 2005. 196p.

ESKINAZI-SANT’ANNA, Eneida M. et al. Águas potiguares: oásis ameaçados. Ciência Hoje, v. 39, n. 233, p. 68-71, 2006.

FREITAS, S. R. et al. Emissões de queimadas em ecossistemas da América do Sul. Estudos Avançados, São Paulo: Instituto de Estudos Avançados, v. 19, n. 53, p. 167-185, 2005.

MADIGAN, M. T.; MARTINKO, J. M.; PARKER, J. Microbiologia de Brock. São Paulo: Prentice Hall, 2004.

TORTORA, G. J.; FUNKE, B. R.; CASE, C. L. Microbiologia. 6. ed. Porto Alegre: Ed. Artmed, 2000. 827p.

WAGENINGEN UNIVERSITY AND RESEARCH CENTRE. Nitrogen Deposition Limits Climate Change Impacts On Carbon Sequestration. ScienceDaily. Retrieved, n. 3, nov. 2009. Disponível em: <http://www.sciencedaily.com/releases/2009/10/091007103059.htm>. Acesso em: 2 dez. 2009.

Anotações


Como os microrganismosse relacionam

11Aula

1

2

3


Apresentação

Na Aula 9 (A diversidade dos microrganismos), estudamos sobre a diversidade microbiana que existe na natureza. Em condições naturais, um microrganismo raramente existe em isolamento. Nos ambientes naturais, encontram-se coexistindo numerosas populações

com características diversas. As populações microbianas que vivem juntas em um local particular, chamado habitat, interagem mutuamente formando uma comunidade microbiana. Essas comunidades possibilitam a ocorrência da mineralização da matéria orgânica e os ciclos dos nutrientes, exemplifi cados na Aula 10 (Os microrganismos auxiliam a (re)circulação da matéria no planeta). Isso porque cada grupo de organismos é especializado numa parte de cada processo e, juntos, fazem o trabalho que não poderiam fazer separadamente. Nesta aula, vamos ver alguns exemplos de como a presença de um microrganismo infl uencia na vida de outro ser microscópico. Isso faz parte do estudo da Ecologia Microbiana!

ObjetivosAplicar os conceitos da Ecologia para defi nir as relações envolvendo microrganismos.

Exemplifi car algumas relações que envolvem microrganismos.

Reconhecer quais são as vantagens e desvantagens para os microrganismos nessas relações.

Dist

ânci

a (m

m)

Distância (mm)6

6

3

0

3

6

3 0 3 6

21

15

10

51

1

0


Dividindo espaços muito pequenos

Já vimos que microrganismos ocupam os mais diversos habitats, incluindo aqueles onde nenhum outro organismo pode sobreviver, tais como fontes termais (elevadas temperaturas) e rochas ácidas. Por sua grande diversidade metabólica, microrganismos podem viver com ou sem oxigênio, com ou sem luz, e usando os mais diversos tipos de substâncias como fonte de energia e carbono (veja as Aulas 5 e 10). Devido ao reduzido tamanho dos microrganismos, espaços pequenos como aquele exemplifi cado na Figura 1 (uma partícula de solo de 12mm de diâmetro) podem abrigar diferentes populações com capacidades metabólicas distintas se esse habitat for heterogêneo.

No exemplo da Figura 1 a concentração de oxigênio pode variar de 21% (normalmente encontrado no ar que respiramos), na camada superfi cial da partícula, até 0% no centro dela. Entre o ambiente oxigenado (na superfície) e o anaeróbico (centro), há um gradiente de concentrações de oxigênio. Essa heterogeneidade espacial, muito comum na natureza, favorece a existência do que chamamos de microhabitats. Ocupando esses microhabitats há distintas populações microbianas favorecidas por diferentes concentrações de oxigênio no meio, desde a aerobiose até a anaerobiose. Lembre-se de que estamos aqui falando apenas do oxigênio, mas outros fatores ambientais também podem variar e assim contribuir para o surgimento de microhabitats. Microrganismos são encontrados compartilhando os microhabitats e, portanto, estão em proximidade, favorecendo a infl uência mútua entre as populações.

Figura 1 – Concentrações de oxigênio em uma partícula de solo

Fonte: Madigan, Martinko e Parker (2004)


Quais tipos de interaçõesexistem entre microrganismos?

Os cientistas que estudam Ecologia consideram que as interações entre os seres vivos podem ter caráter positivo ou negativo.Quando duas populações diferentes interagem, uma delas ou ambas pode se benefi ciar pela interação (interações positivas), ou então efeitos negativos podem ocorrer para uma ou ambas as populações (interações negativas). Veja as denominações das interações no Quadro 1.

É importante que você compreenda que interação positiva é aquela que favorece a população envolvida; essa terá maior crescimento populacional na presença da outra população do que na ausência dela. Por sua vez, uma interação negativa para uma população signifi ca que ela terá seu crescimento diminuído quando a outra população envolvida estiver presente.

As categorias usadas para descrever essas interações ecológicas representam um sistema de classifi cação conceitual; em muitos casos específi cos, não é evidente qual é o tipo de interação que ocorre.

Tipo de interação Espécie A Espécie B Natureza da interação

Neutralismo 0 0 Sem efeitos

Comensalismo + 0 Comensal/hospedeiro não é afetado

Mutualismo + + Obrigatória

Protocooperação + + Não obrigatória

Competição – – Inibição mútua

Predação + – B é ingerido por A

Parasitismo + – B é explorado por A

Amensalismo – 0 A população B não é afetada

Quadro 1 – Principais tipos de interações entre populações de seres vivos

Fonte: Pinto-Coelho (2000)

Atividade 1


a) Observe a Tabela 1 e defi na com suas palavras cada uma das interações.

b) Você conhece exemplos das interações mostradas no Quadro 1 envolvendo plantas e/ou animais? Explique dois desses exemplos no espaço abaixo. Caso não saiba, faça uma pesquisa para responder à questão.

Você notou nesses

exemplos que o tipo de interação que ocorre entre duas populações depende

das condições do ambiente? Isso que dizer que quando o ambiente se altera (e a natureza está

em constante mudança...), as interações entre os organismos também

se alteram!


Em comunidades simples, uma ou mais interações descritas no Quadro 1 podem ser observadas e estudadas. Em uma comunidade biológica natural complexa, todas essas possíveis interações provavelmente ocorrerão entre diferentes populações.

Exemplifi cando as interações entre microrganismos: neutralismo é uma interação?

Em Ecologia, o conceito de neutralismo implica na ausência de interações entre duas populações microbianas. O neutralismo não pode ocorrer entre duas populações que apresentam uma sobreposição de seus papéis funcionais em uma comunidade, e é mais provável ocorrer entre populações microbianas com capacidades metabólicas extremamente diferentes. Pelo fato de ser uma proposição negativa, o neutralismo é difícil de ser demonstrado experimentalmente. Assim, exemplos de neutralismo descrevem casos onde as interações, ainda que existentes, não são importantes.

Condições ambientais que não permitem o crescimento microbiano ativo favorecem o neutralismo. Por exemplo, microrganismos congelados em uma matriz de gelo, tais como produtos alimentícios congelados, ambientes aquáticos (rios, lagos, mares) com a água congelada, encontram-se tipicamente sob uma relação de neutralismo. Condições ambientais que favorecem o crescimento de populações microbianas decrescem ou impedem a ocorrência de neutralismo.

Formas de resistência de microrganismos têm maior probabilidade de desenvolver uma relação de neutralismo com outras populações, do que células vegetativas crescendo ativamente. As baixas taxas de atividade metabólica para a manutenção de tais formas de resistência não forçam o microrganismo para o desenvolvimento de interações competitivas envolvendo a busca por recursos. Quando as condições ambientais tornam-se favoráveis, os estágios de resistência desses microrganismos podem germinar, formando células vegetativas que serão então engajadas em interações positivas ou negativas.

Atividade 2


Durante períodos de stress ambiental (temperaturas elevadas ou secas, por exemplo), populações microbianas presentes no ambiente em formas de resistência podem desenvolver interações de neutralismo. Que tipos de estruturas de resistência bacteriana podem ser encontradas nessas situações? Você pode resolver essa atividade com auxílio da Aula 1 (Comparando células procarióticas e células eucarióticas).


Exemplifi cando interações ecológicas positivas: comensalismo, protocooperação, mutualismo

O desenvolvimento de interações positivas permite a utilização de recursos mais efi cientes pelos microrganismos, além de possibilitar a ocupação de habitats que de outra forma não poderiam ser explorados. Interações positivas entre populações microbianas são baseadas em capacidades físicas e metabólicas que aumentam as taxas de crescimento e/ou sobrevivência.

No comensalismo, uma população se benefi cia enquanto a outra não é afetada. Embora relações comensais sejam comuns entre populações microbianas, elas em geral não são obrigatórias. O comensalismo é uma relação unidirecional entre duas populações: a população que não é afetada, por defi nição, não se benefi cia nem sofre prejuízos pelas ações da segunda população. A população afetada (+) necessita dos benefícios fornecidos pela comensal inalterada (0).

Existem diversas bases químicas e físicas para relações comensais. O comensalismo frequentemente ocorre quando a população inalterada (0), no curso normal do seu crescimento e metabolismo, modifi ca o habitat de tal maneira que uma outra população (+) se benefi cia, porque o habitat modifi cado torna-se mais favorável para suprir suas necessidades. Por exemplo, quando uma população de anaeróbios facultativos utiliza oxigênio, reduzindo sua concentração no ambiente, ela cria um ambiente favorável para o crescimento de anaeróbios obrigatórios. Em tais habitats, os organismos anaeróbios se benefi ciam das atividades metabólicas dos organismos facultativos. Por outro lado, os facultativos não são afetados pela interação enquanto as duas populações não competem pelos mesmos substratos ou nutrientes. A ocorrência de anaeróbios obrigatórios em microhabitats inseridos em habitats predominantemente aeróbios depende desse tipo de relação comensal.

Mutualismo, frequentemente chamado de simbiose, é uma relação ecológica obrigatória entre duas populações que se benefi ciam mutuamente. Uma relação mutualística exige proximidade física, é altamente específi ca, e um membro da associação não pode ser substituído por outras espécies relacionadas. As interações de mutualismo permitem aos organismos colonizar habitats que não poderiam ser ocupados por nenhuma das populações isoladamente. Isso não exclui a possibilidade dessas populações existirem em outros habitats. As atividades metabólicas e tolerâncias fi siológicas das populações envolvidas nas relações mutualísticas são normalmente muito diferentes daquelas encontradas nas populações isoladas.

Os termos mutualismo e simbiose são às vezes usados como sinônimos. Nós preferimos diferenciá-los, considerando a origem grega do termo simbiose, que signifi ca “viver juntos”. Assim, consideramos qualquer tipo de interação como simbiose, pois uma interação qualquer ocorre na medida em que os seres vivos dividem um mesmo espaço. O mutualismo é, dessa forma, um dos tipos de interações simbióticas.

Atividade 3


Cite e explique dois exemplos que você conhece de interação mutualística.

Um exemplo de mutualismo entre microrganismos e vegetais são as associações entre bactérias fi xadoras de nitrogênio e plantas leguminosas. Você estudou na Aula 10 sobre a importância do processo de fi xação biológica do nitrogênio. Na atividade número 9 da referida aula, você teve a oportunidade de ler sobre esse tipo de interação.


Figura 2 – A formação de um nódulo da raiz de uma planta leguminosa em associação mutualística com bactérias fi xadoras do nitrogênio

Outra interação ecológica normalmente exemplifi cada como mutualismo são os liquens, que é uma associação entre microalgas e/ou cianobactérias e fungos. Os liquens podem colonizar habitats onde nem os fungos ou as algas poderiam sobreviver isoladamente. Por isso, liquens são, frequentemente, os primeiros seres a se instalarem em solos ou pedras recentemente expostos. Para o fungo, o benefício da interação é evidente. Fungos são seres quimio-heterotrófi cos (veja a Aula 10) que utilizam como fonte de energia e carbono a matéria orgânica excretada pelo parceiro fotossintetizante (microalga e/ou cianobactéria). Tradicionalmente, considera-se que o benefício do parceiro fotossintetizante no líquen é a possibilidade de ocupar habitats potencialmente hostis à sobrevivência de algas de vida livre. O fungo forneceria, nesse caso, um substrato para fi xação da alga ou cianobactéria e proteção contra a dessecação. Porém, essa interpretação tem sido recentemente questionada.

Alguns pesquisadores da área de Ecologia têm argumentado que não existem provas experimentais de que as algas e cianobactérias de fato se benefi ciam da interação com o fungo. Algumas pesquisas têm sugerido que a interação no líquen trata-se, na verdade, de comensalismo ou parasitismo, uma vez que o fungo pode controlar o crescimento da alga. Isso fi cou claro quando os pesquisadores descobriram que entre 70 a 90% do produto da fotossíntese é liberado para o fungo e que o parceiro fotossintetizante pode formar populações maiores na ausência do fungo. Essas descobertas contradizem a ideia de interação mutualística, na qual todos os parceiros devem ter ganhos.


Atividade 4

É por isso que se diz que não

existem verdades absolutas na Ciência! O conhecimento que se tem atualmente pode ser modifi cado com as novas descobertas.

E isso torna a Ciência ainda mais interessante!


Procure fotos de liquens na internet e analise seu aspecto. Depois, procure observar a presença de liquens em árvores de jardins ou praças onde você mora. Descreva no espaço abaixo o que você encontrou. Há liquens de cores e formas diferentes? Sugerimos os sites abaixo, mas você pode buscar outros.

<http://www.microbiologia.vet.br/fungoscogumelos.htm>

<http://www.feiradeciencias.com.br/sala26/26_feira_01.asp>


Uma relação de protocooperação entre duas populações microbianas indica que ambas as populações se benefi ciam com a interação, mas diferentemente do mutualismo, essa associação não é obrigatória. Ambas as populações são capazes de sobreviver separadamente em seu ambiente natural, embora o estabelecimento da interação traga vantagens mútuas para as populações envolvidas e tenda a maximizar o crescimento de ambas. As relações de protocooperação são fracas no sentido de que uma população pode ser facilmente substituída por outra.

Em alguns casos, é difícil determinar se ambas as populações estão de fato se benefi ciando, ou se apenas uma das populações se benefi cia enquanto a outra não sofre nenhum efeito (sendo a interação classifi cada como comensalismo). Em outros casos, é difícil determinar se a relação é obrigatória, devendo, neste caso, ser considerada mutualismo. Muitos cientistas não fazem distinção entre mutualismo e protocooperação por causa dessas difi culdades, considerando tais interações simplesmente como mutualismo.

Um exemplo de protocooperação pode ser observado entre populações bacterianas envolvidas na ciclagem do nitrogênio (veja a Aula 10). Especifi camente, bactérias heterotrófi cas do gênero Pseudomonas são atraídas pelos produtos excretados pelos heterocitos de cianobactérias fi lamentosas do gênero Anabaena. Pseudomonas formam agregados densos ao redor dos heterocitos, benefi ciando-se dos substratos excretados pelas cianobactérias. Ao oxidar esses excretas orgânicos, as Pseudomonas consomem o oxigênio na superfície do heterocito. As cianobactérias se benefi ciam dessa condição, uma vez que a enzima nitrogenase, responsável pela fi xação biológica do nitrogênio, pode ser inativada pelo oxigênio.

Exemplifi cando interações ecológicas negativas: competição, predação e parasitismo

A competição ocorre pela disputa por recursos entre as populações envolvidas, especialmente quando tais recursos são escassos no ambiente, ou, como dizemos, são limitantes (limitam o crescimento das populações). No caso de microrganismos, esses recursos são normalmente fontes de energia e nutrientes. Podemos chamar de competição indireta quando o metabolismo dos microrganismos se modifi ca de modo que as células se tornam mais efi cientes na absorção de recursos. Aquelas populações que capturarem os recursos mais rapidamente, por exemplo, provavelmente terão mais sucesso (maior crescimento populacional) do que outros microrganismos menos efi cientes.

Um exemplo disso é a habilidade de muitos microrganismos, especialmente bactérias, na produção de enzimas chamadas fosfatases, que atuam na degradação do fosfato orgânico presente no meio. Com a quebra da molécula orgânica, promovida por essas enzimas, a fração inorgânica (fosfato) é separada da orgânica, tornando-se disponível para ser assimilada pela célula. Vale lembrar que o fosfato inorgânico é a principal forma de fósforo absorvida pelos microrganismos e pode ser um nutriente limitante ao crescimento de plantas e microrganismos em muitos ambientes naturais. Aquelas populações de microrganismos que produzirem fosfatases

Heterocitos

Célula especializada na fi xação biológica do nitrogênio em algumas cianobactérias fi lamentosas, onde a enzima nitrogenase é armazenada.


com atividade mais elevada terão mais chance de absorver o fosfato e assim superar (em termos de crescimento populacional) outras populações que têm menor atividade da fosfatase.

Outro tipo de interação competitiva, considerada competição direta, tem como base a produção e secreção por um microrganismo particular de substâncias inibidoras do crescimento de outras populações potencialmente competidoras. Esse é o caso da produção natural de antibióticos por bactérias e fungos. A observação de um evento de competição entre microrganismos levou em 1928 o cientista escocês Alexander Fleming à descoberta da penicilina, antibiótico que revolucionou a Medicina.

Durante sua rotina de trabalho, cultivando e estudando bactérias, Fleming observou uma colônia diferente em algumas placas de Petri com cultivo bacteriano. Essa colônia diferente era formada por um microrganismo contaminante. Ao invés de desprezar os cultivos contaminados, chamou-lhe a atenção um espaço ao redor da colônia contaminante onde as bactérias cultivadas não cresciam. Esse espaço fi cou conhecido como halo de inibição. Ou seja, a área no meio de cultivo que sofre alguma infl uência da colônia a ponto de inibir o crescimento de outros microrganismos. O fungo contaminante na placa de Fleming foi identifi cado como do gênero Penicillium e a substância inibidora do crescimento de bactérias foi posteriormente isolada e nomeada penicilina.

Alexander Fleming ganhou em 1945 o prêmio Nobel de Fisiologia/Medicina. Ao receber a condecoração, Fleming disse: “Não inventei a penicilina. A natureza é que a fez. Eu só a descobri por acaso”.

É isso mesmo! Microrganismos fabricam e excretam no meio diversos compostos que matam e inibem o crescimento de outros microrganismos. A síntese de tais substâncias tem uma função óbvia para o microrganismo produtor: a inibição do crescimento de potenciais competidores que utilizam os mesmos recursos para o metabolismo celular. Com isso, a população que produz substâncias inibidoras garante para si uma maior disponibilidade de recursos.

Atividade 5


Figura 3 – Cultura bacteriana contendo uma colônia de fungo contaminante

Fonte: <http://culturesciences.chimie.ens.fr/dossiers-dossierstransversaux-Sante-Penicilline_Decouverte_Antibiotique_Demirdjian.html>. Acesso em: 2 dez. 2009.

Faça uma pesquisa em livros ou sites da internet sobre outros microrganismos produtores de antibióticos. Descubra que outros organismos produzem antibióticos e quais são essas substâncias. Registre no espaço abaixo o que você encontrou.

I. Localização dabactéria alvo

Bdellovibrio

Bactéria alvo

II. Adesão do Bdellovibrioem formação

III. Invasão

IV. Estabelecimento

V. Bdellovibrio em formação

VI. Bdellovibrio em formaçãoVII. Bdellovibrio em formação

VIII. Lise celular da presa e liberação de vários indivíduos

de Bdellovibrio


Figura 4 – Ciclo de vida da bactéria parasita (ou predadora?) de outra bactéria

Fonte: <http://www.mpg.de/english/illustrationsDocumentation/documentation/pressReleases/2004/pressRelease20040123/index.html>. Acesso em: 2 dez. 2009.

No mundo microscópico, a distinção entre parasitismo e predação nem sempre é evidente. Por exemplo, a interação entre a bactéria Bdellovibrio e bactérias Gram-negativas susceptíveis (veja a Figura 4) é defi nida por alguns cientistas como parasitismo e predação por outros. Em geral, na predação um dos organismos, o predador, alimenta-se e digere o outro, a presa. No parasitismo, um dos organismos, o parasita, vive sobre ou dentro de outro organismo, o hospedeiro, extraindo dele nutrientes necessários ao seu crescimento. Considera-se que em geral a interação entre parasita e hospedeiro é caracterizada por um período de tempo relativamente longo, enquanto a relação predador-presa é geralmente, mas não sempre, de curta duração.

No exemplo da Figura 4, a bactéria Bdellovibrio é incapaz de se reproduzir isoladamente. Ela se aloja dentro de outro microrganismo, matando-o e dele extraindo a matéria orgânica e nutrientes para a produção de novos indivíduos Bdellovibrio. Outras bactérias, que são patógenos humanos e de plantas, estão entre as potenciais vítimas do Bdellovibrio. Por isso, alguns cientistas estudam a possibilidade de usar essa bactéria com a fi nalidade de tratar doenças. Elas seriam “antibióticos vivos”, com função de matar as bactérias patogênicas em um processo de infecção!

Atividade 6


Considerando os conceitos ecológicos de predação e parasitismo que você aprendeu, relate qual é sua opinião a respeito da interação mostrada na Figura 4: trata-se de um exemplo de parasitismo ou predação? Justifi que sua resposta.


Um exemplo de parasitismo entre microrganismos é a relação estabelecida entre um protista dinofl agelado heterotrófi co do gênero Amoebophrya e outro dinofl agelado Dinophysis norvegica (fotossintetizante). A Amoebophrya penetra em seu hospedeiro D. norvegica e completa seu ciclo de vida, gerando vários outros indivíduos que saem de seu hospedeiro para encontrar novos hospedeiros no ambiente. Essa interação pode ser observada no link <http://www.bom.hik.se/plankton/>. Nessa página da Universidade de Kalmar, Suécia, você seleciona “Movie” no tópico “Parasite Research” (Pesquisa sobre parasitas). O vídeo mostra imagens feitas sob microscopia, no momento em que a Amoebophrya, considerado parasita, sai do seu hospedeiro Dinophysis norvegica (dinofl agelado fotossintetizante). Nesse exemplo, um ser eucarioto unicelular completa seu ciclo de vida parasitando outro ser eucarioto também unicelular!

Infecções virais em bactérias confi guram uma interação de parasitismo. Atualmente, sabe-se que vírus estão presentes em ambientes aquáticos na ordem de 109 por litro de água. Acredita-se que infecções virais controlem o crescimento de populações bacterianas e de microalgas em ambientes naturais. Uma aplicação prática desse conhecimento tem sido pesquisada para resolver um problema que afeta a Aquicultura em muitas partes do mundo. Na Europa, na Ásia e nos Estados Unidos, muitas perdas econômicas no cultivo de peixes ocorrem devido à mortandade de animais marinhos causada pelas fl orações de algas e cianobactérias. Para recordar o que são fl orações, recorra ao texto “Águas potiguares: oásis ameaçados”, citado na Aula 10. Cientistas investigam a possibilidade de “contaminar” as fl orações indesejadas com vírus específi cos, que afetam apenas a população alvo, e assim provocar o decaimento (morte) da fl oração.

A predação é outra interação importante no mundo microbiano. Bactérias não são predadoras, pois não assimilam partículas, mas apenas substâncias dissolvidas no meio. Outros microrganismos, tais como os ciliados, ingerem seu alimento na forma particulada, tais como bactérias e algas, conforme mostrado na Figura 5. Após a ingestão, essas partículas são envoltas em vacúolos e digeridas.

Figura 5 – Foto (em microscopia) de um ciliado dentro do qual se pode visualizar uma microalga que foi ingerida

Fonte: <http://www.pmbio.icbm.de/mikrobiologischer-garten/eng/enzoo01b.htm>. Acesso em: 2 dez. 2009.

Atividade 7


Assista ao vídeo Ciliate sweeping up bacteria, disponível no link <http://www.youtube.com/watch?v=Fc70Uk1fjTw>, e descreva a interação que você vê.

Resumo


Nesta aula, vimos que populações microbianas dividem pequenos espaços na natureza, e estão sempre interagindo entre si. Estudamos as interações ecológicas chamadas neutralismo, comensalismo, mutualismo, protocooperação, competição, predação, parasitismo e amensalismo, exemplifi cando tais interações no mundo microbiano. Nesses exemplos, distinguimos como os organismos envolvidos podem ser afetados positivamente ou negativamente. Compreendemos, também, que o estudo das interações ecológicas envolvendo microrganismos pode trazer benefícios para o ser humano através do desenvolvimento de medicamentos, por exemplo.

Leituras complementaresANTUNES, Luis Caetano Martha. A linguagem das bactérias. Revista Ciência Hoje, v. 33, n. 193, p. 16-20, 2003.

Neste artigo, há a descrição de um mecanismo de comunicação química entre bactérias, chamado quorum sensing. Esse mecanismo corresponde às bases bioquímicas que explicam como seres microscópicos “percebem” a presença de outros microrganismos potencialmente competidores ou mutualistas.

DÖBEREINER, Johana. A importância da fi xação biológica de nitrogênio a agricultura sustentável. Disponível em: <http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/Repositorio/revistabiotecnologia1ID-0wLrpPCbk3.pdf>. Acesso em: 2 dez. 2009.

Este artigo discute a importância da associação mutualística entre bactérias fi xadoras de nitrogênio e plantas para a redução no uso de fertilizantes na agricultura, que assim pode se tornar mais econômica e sustentável.

1

2


AutoavaliaçãoAnalise os enunciados abaixo, completando as lacunas existentes.

a) A produção de fatores de crescimento forma a base para interação do tipo ____________________________________ entre populações microbianas. Alguns microrganismos produzem e excretam fatores de crescimento, tais como vitaminas e aminoácidos, que podem ser utilizados por outras populações microbianas. Por exemplo, Flavobacterium brevis excreta cisteína, que pode ser utilizada por Legionella pneumophila em ambientes aquáticos.

b) Bactérias epifíticas são frequentemente observadas na superfície de microalgas. As relações entre esses microrganismos podem estar baseadas na habilidade da alga em utilizar a luz, produzindo compostos orgânicos e oxigênio para o metabolismo aeróbio heterotrófi co das aeróbias. As bactérias, por sua vez, mineralizam a matéria orgânica excretada, suprindo as algas com dióxido de carbono, e muitas vezes, fatores de crescimento para a assimilação fototrófi ca. Esse tipo de interação pode ser denominada ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) O tipo de interação existente entre microrganismos patogênicos e seus hospedeiros é __________________________________________________.

Discuta todas as possíveis interações ecológicas envolvendo microrganismos presentes no exemplo a seguir.

“Animais que possuem um órgão digestivo denominado rúmen são conhecidos como ruminantes. Ruminantes como bovinos e ovinos pastam em plantas ricas em celulose. As bactérias no rúmen fermentam a celulose em compostos que são absorvidos pelo sangue do animal para serem utilizados como fonte de energia e carbono. Os fungos do rúmen provavelmente hidrolisam outros componentes da planta, como a madeira. Protozoários do rúmen mantêm a população de bactérias sob controle alimentando-se das mesmas.”

3

Figura 1

Biom

assa

Tempo (h)

Biom

assa

Tempo (h)

Figura 2

A

B

A + B


As fi guras abaixo representam resultados de um experimento hipotético para examinar as possíveis interações existentes entre duas populações bacterianas “A” e “B” em cultivo, sob condições de laboratório. Nessas fi guras são mostradas curvas de crescimento dos microrganismos (veja a Aula 4, Nutrição e crescimento microbiano, para recordar o que é curva de crescimento). A Figura 1 representa a curva de crescimento das duas populações cultivadas separadamente em meio de cultivo com nutrientes em quantidades adequadas. A Figura 2 indica o crescimento das populações conjuntamente, no mesmo meio de cultivo usado para o experimento da Figura 1. Qual interação pode ser descrita entre a população A e B demonstrada na Figura 2? Justifi que.

Anotações


ReferênciasATLAS, R.; BARTHA, R. Microbial ecology: fundamentals and applications. California: The Benjamin Kummings Publ. Redwood City, 1993. pp. 37-68.

FUHRAMN, J. A. Marine viruses and their biogeochemical and ecological effects. Nature, n. 399, p. 541-548, 1999.

HYVÄRINEN, M. Marko; HÄRDLING, R.; TUOMI, J. Cyanobacterial lichen symbiosis: the fungal partner as an optimal harvester. OIKOS, n. 98, p. 498–504, 2002.

MADIGAN, M. T.; MARTINKO, J. M.; PARKER, J. Microbiologia de Brock. 10. ed. São Paulo: Prentice Hall, 2004.

MILLIGAN, K. L. D.; COSPER, E. M. Isolation of Virus Capable of Lysing the Brown Tide Microalga, Aureococcus anophagefferens. Science, v. 266, n. 5186, p. 805-807, 1994.

PINTO-COELHO, R. Fundamentos em ecologia. Porto Alegre: Ed. Artmed, 2000.


Anotações


Os microrganismospodem ser nossos aliados!

12Aula

1

2

3

Apresentação

Os microrganismos são vistos pela maioria das pessoas como seres nocivos que causam doenças em plantas e animais, incluindo humanos. Contrariando esse conceito, estudamos na Aula 10 (Os microrganismos auxiliam a (re)circulação da

matéria no planeta) que microrganismos são fundamentais para o funcionamento da natureza tal como conhecemos. Além disso, exemplifi camos na Aula 5 (Obtenção de energia para a vida microbiana) alguns casos em que microrganismos são usados pelos seres humanos para a fabricação de alimentos e bebidas. Agora, reforçaremos os aspectos positivos da nossa convivência com microrganismos no planeta. Estudaremos alguns exemplos de demonstram que microrganismos são naturalmente importantes para a saúde humana. Veremos também exemplos de produtos microbianos usados para a fabricação de medicamentos, bem como em processos de biorremediação e outras aplicações.

ObjetivosReconhecer situações em que microrganismos são utilizados em favor da saúde humana.

Identifi car como as relações entre microrganismos e seres humanos podem ser benéfi cas.

Exemplifi car como os microrganismos podem ser utilizados na despoluição ambiental e na geração de energia.


Bactérias queprotegem nosso organismo

Você já deve ter visto propagandas de sabonetes que prometem “eliminar as bactérias nocivas da pele”. Mas será que isso é realmente benéfi co?

A pele, assim como várias partes do nosso organismo, é colonizada por microrganismos que chamamos de fl ora normal ou microbiota normal. São micróbios que naturalmente colonizam nosso corpo, mas que não produzem doença em condições normais. A fl ora normal muitas vezes benefi cia o hospedeiro através do fenômeno conhecido como antagonismo microbiano. Nesse fenômeno, microrganismos da fl ora normal competem com patógenos que poderiam se instalar no organismo humano. A competição (veja a Aula 11, “Como os microrganismos se relacionam”) por nutrientes leva os microrganismos da fl ora normal a produzirem substâncias nocivas aos micróbios invasores. Como consequência, nossos “bons micróbios” previnem o crescimento excessivo de microrganismos nocivos. No exemplo da pele, fi ca óbvio que eliminar as bactérias da fl ora normal não é um bom negócio.


Atividade 1

Leia o texto abaixo – “Sabão com bactericida (Protex) – diga não!” – e descreva outra desvantagem de se eliminar rotineiramente bactérias da fl ora normal do corpo humano.

Fonte: A página da química, Universidade Federal de Santa Catarina. Disponível em: <http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/exemplar11.html>.

Acesso em: 18 jan. 2010.


Atividade 2

Outro exemplo de antagonismo microbiano que favorece os seres humanos é visto no intestino grosso. Nesse órgão, células da bactéria Escherichia coli produzem bacteriocinas, que são proteínas produzidas por bactérias que inibem o crescimento de outras bactérias. Nesse caso, bacteriocinas produzidas por E. coli inibem espécies semelhantes, como Salmonella e Shigella, bactérias patogênicas capazes de provocar infecções intestinais acompanhadas de diarreias, dores abdominais e muitas vezes a desidratação.

Leia o texto “Infecção vaginal pelo fungo Candida albicans” inserido no Moodle e descreva o papel das bactérias da fl ora normal para a saúde da mulher, bem como os possíveis efeitos adversos do uso desnecessário de antibióticos.


Medicamentosproduzidos por microrganismos

Ao invés de nos causar doenças, algumas bactérias e fungos produzem substâncias que podem ser utilizadas para combater infecções causadas por microrganismos patogênicos ou para combater algum outro problema orgânico ou defi ciência nutricional. Em algum momento da nossa vida, utilizamos tais substâncias microbianas. Aliás, pesquisas para descobertas de produtos naturais sintetizados por microrganismos aumentam cada vez mais. Vejamos alguns exemplos a seguir.

� Antibióticos

Na Aula 11 (“Como os microrganismos se relacionam”), vimos como os antibióticos, mais precisamente a penicilina, foram descobertos. Desde então, essas substâncias têm sido usadas para controlar as infecções bacterianas e fúngicas em humanos. Além do fungo Penicillium, outros microrganismos produzem substâncias com ação antimicrobiana usadas como medicamentos. Mais da metade dos antibióticos são produzidos por espécies do gênero Streptomyces, bactérias fi lamentosas que comumente habitam o solo. Alguns antibióticos são produzidos por bactérias do gênero Bacillus, e outros são sintetizados por fungos, a maioria do gênero Penicillium e Cephalosporium, como nos exemplos listados no Quadro 1 a seguir.

Microrganismo produtor Antibiótico produzido

Bacillus subtilis Bacitracina

Bacillus polymyxa Polimixina

Streptomyces venezuelae Cloranfenicol

Streptomyces erythraeus Eritromicina

Micromonospora purpurea Gentamicina

Cephalosporium spp. Cefalotina

Quadro 1 – Microrganismos e respectivas substâncias produzidas


Atividade 3

Dirija-se a uma farmácia e peça para ler a bula de um dos antibióticos que constam no quadro anterior. Anote quais bactérias ou fungos são inibidos (e, portanto, suas infecções tratadas) pelo antibiótico escolhido. Não é necessário abrir a embalagem do medicamento. As farmácias normalmente dispõem de um catálogo de medicamentos que contém as bulas dos remédios. Você também pode procurar bulas em sites médicos ou de laboratórios farmacêuticos.

� Outros produtos farmacêuticos

Às vezes, em certas condições físicas, somos orientados pelo médico a fazer uso de medicamentos anti-infl amatórios como a cortisona, que faz parte de um grupo de substâncias químicas denominadas esteroides. Também são do grupo dos esteroides os estrógenos e progesteronas, usados como contraceptivos orais. A extração de esteroides a partir de fontes animais ou sua fabricação por métodos químicos é bastante difícil. Porém, alguns microrganismos podem sintetizar esteroides a partir de esteróis, compostos facilmente obtidos. Essa transformação é feita por bactérias do gênero Streptomyces em uma única etapa, enquanto que por métodos químicos, em laboratório, essa mesma transformação requer cerca de 30 reações diferentes!

Microrganismos também fabricam vitaminas que nós podemos utilizar como suplementos alimentares, por exemplo. É o caso da vitamina B12, que é produzida por espécies do gênero Pseudomonas e Propionibacterium. A ribofl avina é outro exemplo, sintetizada por vários fungos, como a espécie Ashbya gossypii. Já a vitamina C é produzida através de uma modifi cação da glicose por espécies da bactéria Acetobacter. A indústria farmacêutica faz uso

Contraceptivo

Refere-se a algum método

para evitar que a mulher

fi que grávidwa.

Suplementos alimentares

Substâncias ingeridas

para complementar a

quantidade de vitaminas

ou outros componentes

dos alimentos necessários

ao bom funcionamento

do organismo.

Bactérias muitas vezes são mais efi cientes

do que os químicos no trabalho de síntese de

substâncias usadas como medicamentos!

Veja o caso da bactéria Streptomyces...


Atividade 4

de culturas desses microrganismos para obter as substâncias desejadas e depois processá-las e transformá-las em medicamentos para serem vendidos.

Puxa, muitas bactérias são mesmo aliadas da nossa saúde! Mas é sempre bom lembrar: consuma apenas medicamentos receitados pelo médico, principalmente aqueles com a embalagem marcada “venda sob prescrição médica”. Somente o médico tem condições de avaliar qual o tratamento que precisamos. Consumir medicamentos inapropriados e na dose errada pode levar a uma piora no estado de saúde e ao surgimento de bactérias super resistentes. E não se esqueça, futuro professor: você tem um papel muito importante na transmissão desse conceito para seus futuros alunos!

Faça uma pesquisa e descreva abaixo quais são as funções da vitamina B

12 no organismo humano. Reconheça, assim, a importância das bactérias no

processo de produção dessa substância.


Microrganismos que“comem” a poluição

Hoje em dia é reconhecido que o aumento da poluição é um efeito negativo do crescimento econômico. O aumento da produção industrial e agrícola gera a produção de resíduos muitas vezes tóxicos, que são descartados no solo e em ambientes aquáticos. Isso sem contar os acidentes com navios e caminhões que transportam petróleo, combustíveis e outros produtos químicos.

Para tentar minimizar esses problemas, muitas pesquisas têm sido feitas para o desenvolvimento de técnicas de despoluição do solo, de águas subterrâneas e superfi ciais, além de efluentes e resíduos industriais. Aqui entram em cena os microrganismos usados na biorremediação. Trata-se de um processo biotecnológico no qual organismos vivos (microrganismos ou plantas) são utilizados para remover ou reduzir (remediar) poluentes no ambiente.

Os sistemas metabólicos microbianos têm se mostrado aptos para degradar moléculas estáveis de poluentes, usando a maquinaria natural de reciclagem das moléculas da biosfera. Já vimos que microrganismos são capazes de utilizar diferentes substratos como fonte de energia e carbono. E é exatamente nisso que se baseia a biorremediação usando microrganismos. Esses, literalmente, “comem”, ou usam como substratos os compostos poluentes indesejados.

A extraordinária capacidade metabólica dos microrganismos se deve à combinação do potencial genético individual das diferentes espécies microbianas em um sistema natural, com enzimas e vias metabólicas que evoluíram ao longo de bilhões de anos, e a capacidade de metabolismo integrado apresentado pela comunidade microbiana. Assim, produtos resultantes do metabolismo de um microrganismo podem ser utilizados como substrato (obtenção de energia) por outro microrganismo. Esse intenso sinergismo metabólico entre microrganismos é de fundamental importância para os processos de biorremediação.


Atividade 5

Faça uma pesquisa em revistas ou na Internet sobre exemplos de utilização de microrganismos na despoluição de locais contaminados com resíduos de petróleo. Resuma a seguir o que você encontrou, citando a fonte da informação.

Na lavoura, os micróbiostambém podem ser nossos aliados

Você está lembrado que na Aula 10 estudamos a importância da fi xação biológica do nitrogênio para a vida na Terra? O nitrogênio é um componente essencial das proteínas, ácidos nucleicos e outras moléculas orgânicas. Embora esse elemento seja abundante na atmosfera (o nitrogênio molecular, N

2, perfaz 80% da atmosfera da Terra), ele não pode ser assimilado

por plantas e pela maioria das bactérias quando na forma molecular. As formas preferenciais de assimilação do nitrogênio são os íons amônio (NH

4+) e nitrato (NO

3–). Esses, por outro

lado, não são tão abundantes no solo.

É através da decomposição da matéria orgânica (veja o ciclo do nitrogênio na Aula 10) e principalmente através da fi xação biológica do nitrogênio que esse elemento torna-se disponível para a biota. Nesse processo, o N

2 é transformado em amônia (NH

3) por algumas bactérias e

cianobactérias. Tais microrganismos, então, usam a amônia para a síntese de aminoácidos e proteínas em suas células. Durante o metabolismo microbiano, e também com a morte dessas


Atividade 6

células, compostos orgânicos nitrogenados são disponibilizados no meio e decompostos a nitrato e amônio e, fi nalmente, absorvidos por outros microrganismos e plantas.

Esse processo é muito importante para a produção agrícola, uma vez que o crescimento das plantas depende da oferta de nitrogênio. Nisso, microrganismos também podem ser nossos aliados. Algumas bactérias fi xadoras de nitrogênio têm sido inoculadas em plantas e no solo para então enriquecê-lo com nitrogênio.

Quando isso é feito, uma menor quantidade de fertilizantes artifi ciais pode ser utilizada. A redução do uso de fertilizantes artifi ciais na agricultura apresenta uma grande vantagem: menos nitrato é carreado para os ecossistemas aquáticos, diminuindo o problema da poluição das águas.

Leia o artigo Sequenciada bactéria que produz adubo natural, no link

<http://cienciahoje.uol.com.br/noticias/genetica/sequenciada-bacteria-que-produz-adubo-natural/?searchterm=embrapa>, e descreva no espaço a seguir qual é a bactéria de interesse no caso relatado, onde ela pode ser naturalmente encontrada e como esse microrganismo pode ser usado na agricultura.


Microrganismos produzemfontes alternativas de energia

Você já deve ter ouvido falar que o petróleo, usado na fabricação de gasolina e o óleo diesel, é um combustível fóssil armazenado em reservas que serão esgotadas no futuro. Com a redução dessas reservas, os preços estão se tornando mais altos. Assim, fontes alternativas de energia devem ser desenvolvidas para a manutenção da sociedade humana como conhecemos hoje. Fontes alternativas de energia mais “limpas” também são desejáveis, visto que a extração e queima de combustíveis fósseis geram uma grande emissão de poluentes, como demonstrado na Atividade 9 da Aula 10.

O metano, um gás produzido por algumas bactérias (veja o ciclo do carbono também na Aula 10), é uma conveniente fonte de energia que pode ser produzida, por exemplo, a partir de resíduos em aterros sanitários (depósitos controlados de lixo). O metano começa a acumular alguns meses depois que o aterro está completo e selado. Ele pode permanecer produzindo metano por 5 a 10 anos, dependendo das dimensões do aterro. O metano pode ser usado para a geração de energia elétrica.

Além de bactérias, hoje em dia tem sido pesquisada a produção de biodiesel por microalgas isoladas de amostras de lagos, reservatórios e oceanos. Microalgas são uma potencial fonte de biodiesel em substituição aos combustíveis de petróleo. Elas superam culturas terrestres na produtividade de óleo e crescem mais rápido do que as plantas terrestres. Uma outra vantagem é que microalgas dispensam terrenos férteis para seu cultivo. Um exemplo é a alga Botryococcus braunii, cujo conteúdo de óleo pode atingir 75% do peso da célula!

Atualmente já existem empresas que cultivam grandes volumes de microalgas produtoras de óleo, extraindo biodiesel a partir da biomassa produzida. Entretanto, a utilização de biodiesel de microalgas em larga escala é ainda muito cara, e pesquisas devem ser feitas para aprimorar o processo. Veja uma foto da alga Botryococcus braunii no seguinte endereço da Internet: <http://www.algaevs.com/the-wonders-of-algae/what-are-algae>.

Biodiesel

Combustível biodegradável derivado de fontes renováveis, que pode ser obtido por diferentes processos a partir de gorduras animais ou de óleos vegetais. Existem dezenas de espécies vegetais no Brasil que podem ser utilizadas, tais como mamona, dendê (palma), girassol, babaçu, amendoim, pinhão manso e soja, dentre outras.


Atividade 7

Leia o artigo “Avaliação do óleo extraído de diatomáceas do RN para produção de biodiesel”, inserido no Moodle. Relate abaixo quais foram os objetivos e as principais conclusões da pesquisa. Que benefícios a produção de biodiesel descrita poderia trazer à população?


Leituras complementaresUETA, J. et al. Biodegradação de herbicidas e biorremediação. Biotecnologia, Ciência e desenvolvimento, n. 10, p. 10-13, 1999.

Esse artigo descreve aspectos gerais sobre o emprego do herbicida atrazine na agricultura, e relata uma experiência de seleção de bactérias degradadoras da atrazina e sua utilização para a descontaminação de solos contaminados por esse herbicida.

<http://www.biodiesel.gov.br/>

O Portal do Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel, do Governo Federal, divulga as informações referentes ao Programa. Nesse Portal, você poderá conhecer melhor as possibilidades oferecidas pelo emprego do biodiesel em substituição aos combustíveis fósseis.

<http://www.rudekinc.com/algae.html>

Nesse site, em inglês, você encontra informações sobre o cultivo de microalgas para a produção de biocombustíveis. Veja as fotos das culturas da microalga Botryococcus braunii.

ResumoNessa aula vimos alguns casos em que as chamadas bactérias da fl ora normal trazem benefícios para o organismo humano. Em outros exemplos, observamos que microrganismos são usados para a produção de medicamentos, como antibióticos e suplementos alimentares, também em prol da saúde humana. Também estudamos a aplicação de microrganismos para o controle da poluição gerada pelas atividades humanas, como as bactérias degradadoras de derivados de petróleo. Compreendemos também que bactérias fi xadoras de nitrogênio podem ser usadas nas lavouras em substituição aos adubos químicos. E, por fi m, vimos que microrganismos podem produzir substâncias usadas para a geração de energia. Concluímos, portanto, que microrganismos podem se nossos aliados.


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AutoavaliaçãoFaça uma redação explicando o que são microrganismos e como eles vivem. Explique, de maneira geral, como é constituída uma célula microbiana, diferenciando micróbios eucariotos e procariotos. Aponte os aspectos principais da diversidade microbiana. Explique sucintamente como bactérias se reproduzem e como obtêm energia. Ressalte a participação dos microrganismos na mineralização da matéria orgânica.

Leia o texto abaixo e identifi que qual é a relação estabelecida entre seres humanos e a bactéria Escherichia coli no exemplo descrito. Se necessário, retome os conceitos estudados na Aula 11.

“A bactéria E. coli, habitante normal do intestino grosso humano, sintetiza vitamina K e algumas vitaminas B. Estas vitaminas são absorvidas na corrente sanguínea e distribuídas para as células do corpo. Em troca, as bactérias encontram no intestino os nutrientes necessários para sua multiplicação.”

Qual é a função dos antibióticos para o organismo que o produz? Se necessário, retome os conceitos estudados na Aula 11.

Leia o artigo Microrganismos eliminam resíduos de agrotóxicos no site

<http://cienciahoje.uol.com.br/noticias/agricultura-e-agronomia/microrganismos-eliminam-residuos-de-agrotoxico/?searchterm=embrapa>, e descreva com suas palavras o que relata o artigo.

Relate qual é a importância de se desenvolver métodos de geração de energia usando microrganismos.

Apresente uma argumentação contra a ideia de que microrganismos são seres nocivos.


Anotações

ReferênciasCHISTI, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnology advances, v. 25, p. 294-306, 2007.

GAYLARDE, C. C. et al. Biorremediação: aspectos biológicos e técnicos da biorremediação de xenobióticos. Biotecnologia, Ciência e desenvolvimento, n. 34, p. 36-43, 2005.



Anotações


Esta edição foi produzida em mês de 2012 no Rio Grande do Norte, pela Secretaria de Educação a Distância da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (SEDIS/UFRN). Utilizando-se Helvetica Lt Std Condensed para corpo do texto e Helvetica Lt Std Condensed Black títulos e subtítulos sobre papel offset 90 g/m2.

Impresso na nome da gráfi ca

Foram impressos 1.000 exemplares desta edição.

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Metabolismo da Vida Microscópica

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