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Docente: Prof. Dr. Felipe S. Chambergo – [email protected] Data: Quinta-feira 14 – 18 h / EaD. USP – 2020 Biotecnologia ACH5525 Microbiologia, Imunologia e Parasitologia 1 o semestre 2020

ACH5525 Microbiologia, Imunologia e Parasitologia 1o · such as bacteria and their toxins consist of antibody production and the activation of CD4+ helper T cells. Sistema Imune

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Docente: Prof. Dr. Felipe S. Chambergo – [email protected] Data: Quinta-feira 14 – 18 h / EaD.

USP – 2020

Biotecnologia

ACH5525 Microbiologia, Imunologia e Parasitologia

1o semestre 2020

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Bactérias Estrutura, classificação, morfologia (estruturas e funções),

reprodução, fisiologia, metabolismo e genética. Infecção e patogenicidade (fatores de virulência) Transmissão e disseminação de microrganismos;

Bactérias de importância em saúde humana Gram-positivos Gram-negativos

Controle e Antimicrobianos

Biotecnologia

ACH5525 Microbiologia, Imunologia e Parasitologia

1o semestre 2020

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Existem há mais do que 3,5 bilhões anos.

Graça às estruturas simples, bactérias podem sobreviver em todos ambientes da terra.

Podem ser encontrados por exemplo no ar, no solo, na água, vulcão, no mar profundo, nas fontes quentes, no gelo, no sal, na pele dos homens, etc.

Em condições desfavoráveis algumas bactérias formam esporos, que podem sobreviver milhões de anos.

Bactérias

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Arqueas A principal diferença entre as bactérias (bactérias e cianobactérias)

e as arqueas está na constituição química da parede celular. As arqueas

apresentam polissacarídeos ou apenas proteínas em sua parede celular,

enquanto as bactérias possuem o peptideoglicano.

Halófilos extremos: organismos que vivem em ambientes extremamente

salinos, exemplo são indivíduos do gênero Halobacterium.

Termófilos extremos: organismos que vivem em ambientes extremamente

quentes. Eles possuem adaptações que tornam suas proteínas e material

genético estáveis nessas temperaturas.

Metanogênicos, vivem em ambientes moderados, como pântanos e vísceras

de herbívoros, utilizam hidrogênio para reduzir o gás carbônico e produzir

metano.

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• Organismos unicelulares • Microscópicos • Procariontes • Vivem isolados ou em colônias. • Encontrados em todos os ecossistemas da

Terra. • São de grande importância para a saúde, o

ambiente e a economia

• Esféricas Cocos

• Forma de bastão Bacilos

• Forma espiral Espiroquetas ou Espirilos

• Forma de virgula Vibrião

Cocos e Bacilos podem unir-se => colônias

• cadeias (“estrepto-“)

• grupos (“estafilo-“)

• pares (“diplo-“)

Bactérias

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Meio de Cultura

Staphylococcus aureus

Colônias de enterobactérias

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Estrutura da célula bacteriana

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A cápsula é formada pelo glicocálice, o qual consiste em uma substância polissacarídica produzida no citoplasma e secretados para a superfície celular.

Funções da cápsula:

1. Impedir que a célula seja fagocitada por células de defesa. 2. Promover a adesão das bactérias em diferentes substratos (dentes humanos,

trato respiratório, mucosa intestinal, etc.) 3. Proteger as bactérias contra desidratação e choques mecânicos.

cápsula

CÁPSULA

Gram-negativas: Escherichia coli (em algumas cepas) Neisseria meningitidis Klebsiella pneumoniae Haemophilus influenzae Pseudomonas aeruginosa Salmonella Gram-positivas também podem possuir cápsula: Bacillus megaterium por exemplo, sintetiza uma cápsula composta de polipeptídeos e polissacarídeos. Streptococcus pyogenes sintetiza uma cápsula composta de ácido hialurônico. Streptococcus pneumoniae Streptococcus agalactiae produz uma cápsula polissacarídica de nove tipos antigênicos (Ia, Ib, II, III, IV, V, VI, VII, VIII) que contém ácido siálico. Staphylococcus epidermidis

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1. Cápsula: Estrutura morfologicamente definida

2. Camada Mucosa, Camada S: Substâncias poliméricas extracelulares (SPE)

Goma Xantânica e feita com substancias poliméricas extracelulares da bactéria Xanthomonas campestris

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Envoltório semi-rígido, o qual é alvo de muitos antibióticos, composto por ácido diaminopimérico (DPA), ácido murâmico e ácido teicóico além de aminoácidos, carboidratos e lipídeos. Uma macromolécula complexa denominada peptideoglicano (Polímero de carboidratos associados à proteínas, também chamada de mucopeptídeo ou mureína) forma a estrutura rígida da parede.

As bactérias podem ser divididas em dois grandes grupos, segundo a composição química da parede celular:

1) Bactérias Gram-positivas ~ 15-50% peptideoglicano 2) Bactérias Gram-negativas ~5% peptideoglicano

Parede celular

Coloração de Gram

Christian Gram - 1884

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Gram-Positivas: Composta de proteínas, lipídeos, peptideoglicano e ácidos teicóicos (cadeias de polifosfato com resíduos de ribitol e glicerol), essas bactérias são sensíveis à lisozima e sua parede constitui o local de ação de alguns antibióticos além de apresentar elementos básicos para identificação sorológica.

Gram-Negativas: A membrana externa é o que distingue as bactérias Gram-negativas, servindo como uma barreira seletiva para a entrada e saída de algumas substâncias da célula e podendo ainda causar efeitos tóxicos sérios em animais infectados. A estrutura da membrana externa é composta por fosfolipídios, lipoproteínas e lipopolissacarídeos (LPSs). Os lipopolissacarídeos estão localizados exclusivamente na camada externa da membrana, enquanto que os fosfolipídeos estão presentes quase completamente na camada interna.

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Endotoxina

Os LPSs são compostos por três segmentos ligados covalentemente: (1) lipídeo A, firmemente embebido na membrana; (2) cerne do polisssacarídeo, localizado na superfície da membrana; e (3) antígenos O, que são polissacarídeos que se estendem como pêlos a partir da superfície da membrana em direção ao meio circundante. A porção lipídica do LPSs é também conhecida como endotoxina e pode atuar como um veneno, causando febre, diarréia, destruição das células vermelhas do sangue e um choque potencialmente fatal.

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A membrana citoplasmática tem espessura de aproximadamente 10 nm e separa a parede celular do citoplasma. É constituída principalmente de lipídeos e proteínas, desempenhando importante papel na permeabilidade seletiva da célula Ela difere da membrana citoplasmática das células eucarióticas por: - não apresentar esteróides em sua composição; - ser local de numerosas enzimas do metabolismo respiratório (mesmas funções das cristas mitocondriais); - controlar a divisão bacteriana através dos mesossomos.

Membrana celular:

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1. Transporte de solutos

- Difusão facilitada

- Transporte ativo

- Translocação de grupo

2. Produção de Energia

- Transporte de Elétrons

- Fosforilação oxidativa

3. Biossíntese de Macromoléculas

- Lipídios de Membrana

- Peptidoglicano

- Ácido teicóico e Ácido lipoteicóico

- Polissacarídeos extracelulares (LPS)

- Duplicação do DNA

4. Excreção de Enzimas hidrolíticas

5. Taxia: Quimiotaxia / Fototaxia

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Hialoplasma ou citosol, possui 4/5 de água e 1/5 de substâncias dissolvidas ou em suspensão (proteínas, carboidratos, lipídios, íons, etc).

Possui em seu conteúdo: Ribossomos (única organela), plasmídeos e o cromossomo circular único (região do nucleóide).

Citoplasma

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Plasmídeos: algumas bactérias possuem moléculas menores de DNA, também circulares, cujos genes não codificam características essenciais, porém muitas vezes conferem vantagens seletivas à bactéria que as possue.

Essas moléculas chamadas plasmídeos são capazes de auto-duplicação independente da replicação do cromossomo, e podem existir em número variável no citoplasma bacteriano.

Principais funções dos plasmídeos: 1. Apresentar genes que conferem resistência a diversos antibióticos. 2. Apresentar genes responsáveis por síntese de toxinas. 3. Apresentar genes que codificam enzimas que ativam a degradação de carboidratos

e substâncias como tolueno, cânfora e hidrocarbonetos do petróleo.

Plasmídeos

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Ribossomos

Procariotos

Eucariotos

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Estruturas de latência que exibem altíssima resistência tanto a agentes físicos como químicos. Quando as bactérias com capacidade de esporular se encontram em ambientes cujas condições tornam-se inadequadas, estas iniciam o processo de esporulação, garantindo assim a manutenção de seu material genético.

Nucleóide

Endósporo em formação

Conteúdo celular em degeneração

Endósporo maduro

Bactérias esporuladas podem permanecer dormentes por milhares de anos e retornar ao seu estado ativo quando as condições ambientais tornarem-se favoráveis.

Endósporo

Endósporos

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Grânulos Citoplasmáticos C) Grânulos de Polihidroxibutirato acumulados por Ralstonia euthopha (Biopolímero biodegradável --> plástico)

A) Grânulos de fósforo –

Bactérias magnetotáticas

B) Grânulos de enxofre - Beggiatoa.

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Fímbrias são apêndices que se estendem da membrana plasmática passando pela parede celular e cápsula emergindo para o meio externo. As fímbrias podem ocorrer em toda a superfície da célula.

Função das fímbrias:

Fixar as bactérias ao substrato e em outras células. Pili sexuais normalmente são mais longos que as fímbrias, havendo um ou dois por célula. Pilus vem do Latim, que significa pêlo, cabelo. Pili - Plural; Pilus - Singular.

Funções dos pili:

Responsável pela formação da ponte citoplasmática que permite a transferência de informação genética durante o processo de conjugação.

Fímbrias e Pili sexuais

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Flagelos são organelas especiais de locomoção, constituídas por uma estrutura protéica denominada flagelina, formando longos filamentos delgados e ondulados de 3-12 µm que partem do corpo da bactéria e se estendem externamente à parede celular.

Um flagelo tem três partes: o corpo basal (estrutura

composta por vários anéis que ancora o flagelo à membrana citoplasmática), uma estrutura curta em forma de gancho e um longo filamento helicoidal.

O número de flagelos é bastante variável entre as bactérias.

Os flagelos das bactérias não provém do centríolo como os flagelos de células eucariotas.

Flagelos

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• Aeróbicas podem crescer apenas na presença de oxigénio

• Anaeróbicas podem crescer apenas na ausência de oxigénio

• Facultativas podem crescer tanto na presença como na ausência de oxigénio

• Heterótrofos - Saprófitos decompõem material orgânico de animais e plantas mortas - Parasitas envenenam o organismo do hospede com os seus produtos de metabolismo - Simbióticos vivem por exemplo no intestino dos animais que comem plantas e quebram celulose • Autótrofos - Fotossintetizantes obtêm a energia na forma de luz, para a fotossíntese - Quimiossintetizantes obtêm energia pela oxidação de compostos químicos

RESPIRAÇÃO E NUTRIÇÃO

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http://what-when-how.com/medical-microbiology-and-infection/structure-and-classification-of-bacteria-medical-microbiology-and-infection/

RESPIRAÇÃO e NUTRIÇÃO

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https://microbenotes.com/classification-of-bacteria-on-the-basis-of-nutrition/

RESPIRAÇÃO e NUTRIÇÃO

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REPRODUÇÃO Assexuada - Bipartição ou cissiparidade - Nesse processo a célula bacteriana duplica seu cromossomo e se divide ao meio, apoiado no mesossomo, originando duas novas bactérias idênticas à original.

Sexuada ou Transmissão genética - Conjugação - Consiste na passagem (ou troca) de material genético entre duas bactérias através de uma ponte citoplasmática formada pelas fímbrias.

-Transformação - A bactéria absorve moléculas de DNA disperso no meio. Esse DNA pode ser proveniente, por exemplo, de bactérias mortas.

- Transdução - As moléculas de DNA são transferidas de uma bactéria a outra usando vírus como vetores.

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BENEFÍCIO PATOGENIDADE

• Micróbio patogênico • Estrago dos alimentos

• Corrosão

• Produção de alimentos e bebidas • Degradação de lixo problemático • Produção de medicamentos

• Digestão (Escherichia coli) • Fixação do N2 na atmosfera

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Fatores de virulência bacteriana são moléculas sintetizadas por certas bactérias que aumentam sua capacidade de infectar ou danificar tecidos humanos. Os fatores de virulência podem ser codificados dentro do genoma bacteriano, sendo aspectos inerentes à estrutura do organismo, ou podem ser codificados dentro de elementos genéticos transmissíveis e, assim, adquiridos do ambiente. Cápsula As cápsulas bacterianas inibem a capacidade dos macrófagos e neutrófilos de fagocitose encapsular bactérias, permitindo assim a sua evasão da resposta imune do hospedeiro. No entanto, o sistema imunológico pode desenvolver anticorpos para antígenos capsulares que revestem e opsonizam bactérias encapsuladas, permitindo sua fagocitose. As vacinas também podem ser geradas usando açúcares capsulares e formam a base de vacinas conjugadas. As cápsulas de polissacarídeo são detectadas com a "Quellung Reaction", que envolve o tratamento de bactérias com anticorpos de ligação à cápsula. A ligação de anticorpos faz com que a cápsula inche com água que pode ser detectada microscopicamente. Flagela Os flagelos são filamentos proteicos longos, do tipo chicote, ancorados na parede celular bacteriana e podem se estender várias vezes ao comprimento da própria bactéria. A motilidade proporcionada pelos flagelos aumenta a capacidade das bactérias se espalharem anatomicamente. Isso é mais bem observado no contexto de infecções do trato urinário, onde bactérias flageladas podem espalhar na uretra.

Fatores de Virulência Bacteriana

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Pili Aumenta a capacidade das bactérias de aderir a certos tecidos humanos e, assim, melhora a infecciosidade do organismo. Esporos Resistentes a condições adversas, incluindo calor, frio, radiação, desidratação e detergentes. Os esporos podem germinar em bactérias metabolicamente ativas quando expostos a um ambiente favorável anos, décadas ou até milênios depois. Os esporos são a razão pela qual simplesmente ferver objetos é insuficiente para a esterilização e requer autoclave, o que envolve calor até 121 ° C sob pressões intensas. Exotoxinas As exotoxinas bacterianas são proteínas liberadas por certas bactérias que podem desregular severamente os processos celulares críticos ou melhorar a capacidade das proteínas de invadir os tecidos. Os efeitos de determinadas exotoxinas bacterianas são discutidos com as bactérias individuais. As enterotoxinas são um subconjunto de exotoxinas que afetam especificamente a digestão e geralmente resultam em diarréia infecciosa.

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Adaptive immune responses to extracellular microbes. Adaptive immune responses to extracellular microbes such as bacteria and their toxins consist of antibody production and the activation of CD4+ helper T cells.

Sistema Imune

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Innate and adaptive immunity to intracellular bacteria.

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Mucosa digestiva ou respiratória

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Fagocitose

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Fatores de Virulência

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Estratégia de Bactérias para evasão do sistema imune

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Pathogenicity and pathogenesis of infectious disease

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Toxina colérica, em células do epitélio intestinal, elimina atividade GTPase, estimulando AC, ↑[cAMP] - fosforila canais Na+-H+, Cl-, levando a perda massiva de água

Toxina pertussi, em células do epitélio respiratório, elimina ligação de GTP na proteína G inibitória, deixando ativa AC, ↑[cAMP] – diversos efeitos

Toxinas de Bactérias Patogênicas

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Enterobactérias

• Ag O – polissacarídio do LPS (Ag somático) • Ag H - Flagelo (motilidade)

– Algumas são imóveis

• Ag K - Cápsula ou (Vi em Salmonella)

Obs.: - Pili – importante na recombinação - Fímbrias – aderência à mucosa

E. coli, Shigella, Salmonella, e Yersinia enterocolitica.

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E. coli enteropatogênicas • ETEC – enterotoxinas e fímbrias de colonização • EPEC – Adesão íntima, lesões A/E • EHEC – hemorragia, potentes citoxinas • EIEC – invasão das células • EAEC - Enteroagregativa • ExPEC – Extraintestinal pathogenic

ETEC – Escherichia coli enterotoxigênica

• TOXINAS - Produção e liberação de Toxinas codificadas por plasmídeos Enterotoxinas:

– LT (termo lábil – inativada a 60°C por 15 min) - Toxina do tipo AB. Homem; LT-I de 86kDa) Subunidade B adere na membrana da célula. Toxina entra inteira no citoplasma; a sub-unidade A ativa adenilato ciclase, aumentando AMPc. Isso provoca liberação de Cl- e retenção de Na+ = diarréia aquosa

– ST (temo estável – resistente a 100°C por 30 min) – (Homem: STa – 2kDa) - No caso de diarréia geralmente as 2 estão associadas

- ADESINAS - Fimbriais: Fimbria Longus (receptor de fagos); - Não fimbriais (CFAs): Filamentos protéicos (21 diferentes tipos)

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Bacilos Gram positivos Anaeróbios

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Clostridium tetani (tétano) Clostridium botulinum (botulismo)

Tetanospamina Espasmos musculares, morte.

Vacina antitetânica Soro Antitoxina

Relaxante muscular: Diazepam

Toxina botulínica: A-G Intoxicação alimentar

Paralisia de músculo cardíaco ou respiratório Antitoxina botulínica

Penicilina

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Tratamento cosmético da toxina botulínica, para reduzir linhas finas e rugas, paralisando os músculos subjacentes

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Anthrax: Bacillus anthracis

DOI: 10.2174/138955708783744083

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Toxina de Anthrax e Câncer

Anthrax toxin component protective antigen (PA) can be mutated to contain restriction sites for tumor-selective proteases (such as matrix-metalloproteinases (MMPs) and urokinase plasminogen-activator (uPA)). In the tumor environment, MMPs or uPA cleave the mutated PA and the activated 63-kDa PA fragment binds its target receptors (ANTXR1 or ANTXR2) and assembles to oligomers. Anthrax toxin lethal factor (LF) or fusion proteins containing the N-terminus of LF and other protein toxins or enzymes bind to the PA oligomer. The complex is endocytosed and the low pH in the endosome results in pore formation by the PA oligomer. LF or LFn-toxin fusions unfold and translocate to the cytosol of the cancer cell. LF cleaves mitogen-activated protein kinase kinases and interferes with cellular signaling. Protein toxins delivered to the cancer cell interfere with protein synthesis, induce DNA damage and induce apoptosis. Alternatively to using mutated PA, PA can be retargeted to tumor-selective receptors, such as epidermal growth factor receptor (EGFR) or human epidermal growth factor receptor 2 (HER2) by genetic fusion of PA to EGF or HER2 ligands.

doi: 10.3390/toxins8070197

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Referências ABBAS, Abul K.; LICHTMAN, Andrew H.; PILLAI, Shiv.. Imunologia celular e molecular. 8. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2015. BROOKS, Geo. F. et al. Microbiologia médica de Jawetz, Melnick e Adelberg. 26. ed. Porto Alegre: AMGH, 2014. BURMESTER & Antonio Pezzutto, Color Atlas of Immunology 2003. HALL, John Edward; GUYTON, Arthur C. Guyton & Hall tratado de fisiologia médica. 13. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2017. LEVINSON, Warren. Microbiologia médica e imunologia. 10. ed. Porto Alegre: AMGH, 2010. SILVERTHORN, Dee Unglaub. Fisiologia humana: uma abordagem integrada. 7. ed. Porto Alegre: Artmed, 2017. TORTORA, Gerard J.; FUNKE, Berdell R.; CASE, Christine L. Microbiologia. 12. ed. Porto Alegre: Artmed, 2017. Apostila de Parasitologia: https://www.fernandosantiago.com.br/fic_papo.pdf