4Anatomia Funcional de

Clulas Procariticas e

Eucariticas

Apesar de sua complexidade e variedade, todas as clulas vivas podem ser classificadas em dois

grupos, procariticas e eucariticas, com base em certas caractersticas funcionais e estruturais.

Em geral, os procariotos so estruturalmente mais simples e menores que os eucariotos. O DNA

(material gentico) dos procariotos arranjado em um cromossomo simples e circular, no sendo

circundado por uma membrana; o DNA dos eucariotos encontrado em cromossomos mltiplos

em um ncleo circundado por uma membrana. Procariotos no possuem organelas revestidas por

membranas, as quais so estruturas celulares especializadas que possuem funes especficas. Di-

ferenas adicionais so discutidas brevemente.

Plantas e animais so inteiramente compostos de clulas eucariticas. No mundo microbiano, as

bactrias e as arquibactrias so procariotos. Outros micro-organismos celulares fungos (leve-

duras e bolores), protozorios e algas so eucariotos. Os humanos exploram as diferenas entre

bactrias (procariotos) e clulas humanas (eucariotos) para se proteger de doenas. Por

exemplo, certas drogas matam ou inibem bactrias sem causar dano s clulas

humanas, e molculas qumicas nas superfcies das bactrias estimulam o

corpo a montar a resposta defensiva para elimin-las.

Os vrus, como elementos acelulares, no se encaixam em qualquer

classificao organizacional das clulas vivas. Eles so partculas ge-

nticas que se replicam, mas so incapazes de promover as atividades

qumicas usuais das clulas vivas. Os vrus sero discutidos no Cap-

tulo 13. Neste captulo, vamos nos concentrar em clulas procariti-

cas e eucariticas.

SOB O MICROSCPIO

Staphylococcus aureus destruindo um fagcito. A bactria S. aureus produz a toxina leucocidina, que destri as clulas brancas do hospedeiro.

A penicilina foi chamada de droga miraculosa por no danificar as clulas humanas. Qual a razo de no causar dano?

Procure pela resposta neste captulo.

P&R

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Microbiologia 77

Comparando as clulas procariticas e eucariticas: viso geralOBJETIVO DO APRENDIZADO 4-1 Comparar e diferenciar a estrutura celular geral de procariotos e

eucariotos.

Procariotos e eucariotos so quimicamente similares, no sen-tido de que ambos contm cidos nucleicos, protenas, lipdeos e carboidratos. Eles usam os mesmos tipos de reaes qumicas para metabolizar o alimento, formar protenas e armazenar energia. principalmente a estrutura das paredes celulares e membranas e a ausncia de organelas (estruturas celulares especializadas que possuem funes especficas) que distinguem procariotos de eu-cariotos.

As principais caractersticas diferenciais dos procariotos (do termo grego significando pr-ncleo) so as seguintes:

1. Seu DNA no est envolvido por uma membrana, e ele um cromossomo de arranjo circular. (Algumas bactrias, como a Vibrio cholerae, tm dois cromossomos, e algumas bactrias possuem um cromossomo com arranjo linear.)

2. Seu DNA no est associado com histonas (protenas cromos-smicas especiais encontradas em eucariotos); outras protenas esto associadas ao DNA.

3. Eles no possuem organelas revestidas por membrana. 4. Suas paredes celulares quase sempre contm o polissacardeo

complexo peptideoglicano. 5. Eles normalmente se dividem por fisso binria. Durante esse

processo, o DNA duplicado e a clula se divide em duas. A fisso binria envolve menos estruturas e processos que a divi-so das clulas eucariticas.

Os eucariotos (do termo grego significando ncleo verdadei-ro) possuem as seguintes caractersticas:

1. Seu DNA encontrado no ncleo das clulas, que separado do citoplasma por uma membrana nuclear, em cromossomos mltiplos.

2. Seu DNA consistentemente associado s protenas cromoss-micas histonas e s protenas no histonas.

3. Eles possuem diversas organelas revestidas por membranas, incluindo mitocndrias, retculo endoplasmtico, complexo de Golgi, lisossomos e algumas vezes cloroplastos.

4. Suas paredes celulares, quando presentes, so quimicamente simples.

5. A diviso celular geralmente envolve mitose, na qual os cro-mossomos so duplicados e um conjunto idntico distribudo para cada um dos dois ncleos Esse processo controlado pelo fuso mittico, um feixe de microtbulos no formato de uma bola de futebol americano. A diviso do citoplasma e de outras organelas segue-se a esse processo, de modo que haver a pro-duo de duas clulas idnticas.

Outras diferenas entre clulas procariticas e eucarticas es-to listadas na Tabela 4.2 na pgina 101. A seguir vamos descrever em detalhes as partes da clula procaritica.

TESTE SEU CONHECIMENTO

3 Qual a principal caracterstica que distingue procariotos de eucariotos? 4-1

Os membros do mundo procaritico compem um vasto grupo heterogneo de organismos unicelulares muito pequenos. Os pro-cariotos incluem as bactrias e as arquibactrias. A maioria dos procariotos, incluindo as cianobactrias fotossintetizadoras, faz parte do grupo das bactrias. Embora as bactrias e as arquibact-rias paream similares, sua composio qumica diferente, como ser descrito posteriormente. As milhares de espcies de bactrias so diferenciadas por muitos fatores, incluindo morfologia (forma), composio qumica (frequentemente detectada por reaes de co-lorao), necessidades nutricionais, atividades bioqumicas e fontes de energia (luz solar ou qumica). estimado que 99% das bactrias na natureza existam na forma de biofilmes (veja as pginas 57 e 162).

O tamanho, a forma e o arranjo das clulas bacterianasOBJETIVO DO APRENDIZADO 4-2 Identificar as trs formas bsicas das bactrias.

Existem muitos tamanhos e formas de bactrias. A maioria das bactrias varia de 0,2 a 2,0 m de dimetro e de 2 a 8 m de compri-mento. Elas possuem algumas formas bsicas: cocos esfricos (que significa frutificao), bacilos em forma de basto (que significa bastonete) e espiral.

Os cocos geralmente so redondos, mas podem ser ovais, alon-gados ou achatados em uma das extremidades. Quando os cocos se dividem para se reproduzir, as clulas podem permanecer ligadas umas s outras. Cocos que permanecem aos pares aps a diviso so chamados de diplococos; aqueles que se dividem e permane-

A CLULA PROCARITICA

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cem ligados uns aos outros em forma de cadeia so chamados de estreptococos (Figura 4.1a). Aqueles que se dividem em dois planos e permanecem em grupos de quatro so conhecidos como ttrades (Figura 4.1b). Aqueles que se dividem em trs planos e permane-cem unidos em forma de cubo, com oito bactrias, so chamados de sarcinas (Figura 4.1c). Aqueles que se dividem em mltiplos pla-nos e formam agrupamentos tipo cacho de uva ou lminas amplas so chamados de estafilococos (Figura 4.1d). Essas caractersticas do grupo frequentemente so teis na identificao de certos cocos.

Os bacilos se dividem somente ao longo de seu eixo curto; portanto, existe menor nmero de agrupamentos de bacilos que de cocos. A maioria dos bacilos se apresenta como bastonetes simples (Figura 4.2a). Os diplobacilos se apresentam em pares aps a divi-so (Figura 4.2b) e os estreptobacilos ocorrem em cadeias (Figura 4.2c). Alguns bacilos possuem a aparncia de canudinhos. Outros

possuem extremidades cnicas, como charutos. Outros ainda so ovais e to parecidos com os cocos que so chamados de cocobaci-los (Figura 4.2d).

O nome bacilo possui dois significados em microbiologia. Como acabamos de utilizar, a palavra bacilo se refere forma bac-teriana. Quando escrito em latim, em letra maiscula e em itlico, refere-se a um gnero especfico. Por exemplo, a bactria Bacillus anthracis o agente do antraz. As clulas dos bacilos geralmente possuem a forma de cadeias longas e curvadas (Figura 4.3).

Plano dediviso

Diplococos

Estreptococos

(a)

Ttrade(b)

(c)Sarcinas

Estafilococos(d)

2 m

2 m

1 m

2 m

2 m

MEV

MEV

MEV

MEV

MEV

Figura 4.1 Arranjos dos cocos. (a) A diviso em um plano produz diplococos e estreptococos. (b) A diviso em dois planos produz ttrades. (c) A diviso em trs planos produz sarcinas e (d) A diviso em mltiplos planos produz estafilococos.

P Por que os planos de diviso determinam os arranjos das clulas?

Bacilo isolado(a)

Diplobacilos(b)

Estreptobacilos(c)

Cocobacilo(d)

2 m

5 m

1 m

MEV

MEV

MEV

Figura 4.2 Bacilos. (a) Bacilo isolado. (b) Diplobacilos. Na micrografia do alto, alguns pares de bacilos unidos servem como exemplo de diplobacilos. (c) Estreptobacilos. (d) Cocobacilos.

P Por que os bacilos no formam ttrades ou agrupamentos?

Figura 4.3 Uma hlice dupla formada por Bacillus

subtilis.

P Qual a diferena entre os termos bacilos e Bacillus?5 m

MO

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Microbiologia 79

As bactrias espirais possuem uma ou mais curvaturas; elas nunca so retas. As bactrias que se assemelham a bastes curvos so chamadas de vibries (Figura 4.4a). Outras, denominadas es-pirilos, possuem uma forma helicoidal, como um saca-rolha, e um corpo bastante rgido (Figura 4.4.b). J outro grupo de espirais tem forma helicoidal e flexvel, sendo chamado de espiroqueta (Figura 4.4c). Ao contrrio dos espirilos, que utilizam um apndice para se mover, semelhante a uma hlice e chamado de flagelo, as espiroque-tas se movem por meio de filamentos axiais, os quais lembram um flagelo, mas esto contidos dentro de uma bainha externa flexvel.

Alm das trs formas bsicas, existem clulas com formato de estrela (gnero Stella; Figura 4.5a), clulas retangulares e planas (ar-quibactrias haloflicas) do gnero Haloarcula (Figura 4.5b) e clu-las triangulares.

A forma de uma bactria determinada pela hereditariedade. Geneticamente, a maioria das bactrias , monomrfica, ou seja, mantm uma forma nica. Entretanto, uma srie de condies am-bientais pode alterar sua forma, que, quando alterada, dificulta uma identificao. Alm disso, algumas bactrias, como o Rhizobium e a Corynebacterium, so geneticamente pleomrficas, o que significa que elas podem ter muitas formas, no somente uma.

A estrutura de uma clula procaritica tpica mostrada na Figura 4.6. Discutiremos seus componentes de acordo com a se-guinte organizao: (1) estruturas externas da parede celular, (2) a parede celular propriamente dita e (3) estruturas internas da pa-rede celular.

TESTE SEU CONHECIMENTO

3 Como voc identificaria estreptococos com o uso de um microsc-pio? 4-2

Estruturas externas parede celularOBJETIVOS DO APRENDIZADO

4-3 Descrever a estrutura e a funo do glicoclice

4-4 Diferenciar flagelos, filamentos axiais, fmbrias e pili.

Entre as possveis estruturas externas da parede extracelular dos procariotos esto o glicoclice, os flagelos, os filamentos, as axiais, as fmbrias e pili.

GlicocliceMuitos procariotos secretam na sua superfcie uma substncia denominada glicoclice. Glicoclice (significando revestimento

de acar) o termo geral usado para as substncias que envol-vem as clulas. O glicoclice bacteriano um polmero viscoso e gelatinoso que est situado externamente parede celular e composto de polissacardeo, polipeptdeo ou ambos. Sua com-posio qumica varia amplamente entre as espcies. Em grande parte, ele produzido dentro da clula e secretado para a super-fcie celular. Se a substncia organizada e est firmemente ade-rida parede celular, o glicoclice descrito como uma cpsula. A presena de uma cpsula pode ser determinada utilizando uma colorao negativa, descrita no Captulo 3 (veja a Figura 3.14, p-gina 72). Se a substncia no organizada e est fracamente ade-

(a) Vibrio

(b) Espirilo

(c) Espiroqueta

2 m

2 m

5 m

MEV

MEV

MEV

Figura 4.4 Bactrias espirais. (a) Vibries. (b) Espirilos. (c) Espiro-quetas.

P Qual a caracterstica marcante das bactrias espiroquetas?

Figura 4.5 Procariotos em forma de estrela e retangulares. (a) Stella (formato de estrela).

(b) Haloarcula, um gnero de arquibactria haloflica

(clulas retangulares).

P Quais as formas comuns das bactrias?

(a) Bactria em formade estrela

(b) Bactrias retangulares 0,5 m 0,5 mMET MET

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rida parede celular, o glicoclice descrito como uma camada viscosa.

Em certas espcies, as cpsulas so importantes para a con-tribuio da virulncia bacteriana (medida do grau com que um patgeno causa doena). As cpsulas frequentemente protegem as bactrias patognicas da fagocitose pelas clulas do hospedeiro (como voc ver mais tarde, a fagocitose a ingesto e a digesto dos micro-organismos e de outras partculas slidas). Por exem-plo, o Bacillus anthracis produz uma cpsula de cido D-glutmico

(lembre-se que, como mostrado no Captulo 2, as formas D dos aminocidos so incomuns). Uma vez que somente B. anthracis en-capsulado causa o antraz (carbnculo), especula-se que a cpsula pode impedir sua destruio pela fagocitose.

Outro exemplo envolve o Streptococcus pneumoniae, que causa pneumonia somente quando as clulas so protegidas por uma cp-sula de polissacardeo. As clulas no encapsuladas de S. pneumoniae no podem causar pneumonia e so rapidamente fagocitadas. A cp-sula de polissacardeo da Klebsiella pneumoniae tambm impede a

FIGURA FUNDAMENTAL

Figura 4.6

A estrutura de uma clula procaritica

CpsulaParede celularMembranaplasmtica

Fmbrias

Incluso

CitoplasmaCpsula

Pilus

Ribossomos

Parede celularMembrana plasmtica

Nucleoidecontendo DNA

Plasmdeo

Flagelos 0,5 m

As clulas procariticas no possuem organelas envolvidas por membrana.

Todas as bactrias possuem citoplasmas, ribossomos, uma membrana

plasmtica e um nucleoide. A maioria das bactrias possui paredes celulares.

Esta clula procaritica mostra estruturas tpicas que podem ser encontradas em bactrias. Cada uma

das estruturas marcadas ser discutida individualmente neste captulo. Como voc viu nos captulos

anteriores, algumas das estruturas contribuem para a virulncia bacteriana, possuem um papel na sua

identificao e so alvo de agentes antimicrobianos.

Conceito-chave

Observe que nem todas as bactrias possuem todas as estruturas mostradas. As estruturas marcadas em vermelhoso encontradas em todas as bactrias. O desenho e a micrografia mostram a bactria seccionada transversalmente para revelar a composio interna.

MET

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fagocitose e permite a esta bactria aderir-se ao trato respiratrio e coloniz-lo.

O glicoclice um componente muito importante dos biofil-mes (veja a pgina 162). Um glicoclice que auxilia as clulas em um biofilme a se fixarem ao seu ambiente-alvo e umas s outras denominado substncia polimrica extracelular (SPE). A SPE protege as clulas dentro do glicoclice, facilita a comunicao entre as clulas e permite a sobrevivncia celular pela fixao a vrias superfcies em seu ambiente natural. Por meio da fixao, as bactrias podem crescer em diversas superfcies, como pedras em rios com correnteza rpida, razes de plantas, dentes humanos, implantes mdicos, canos de gua e at mesmo em outras bac-trias. O Streptococcus mutans, um importante causador de crie dentria, fixa-se na superfcie dos dentes por um glicoclice. O S. mutans pode usar sua cpsula como fonte de nutrio degradan-do-a e utilizando os acares quando os estoques de energia esto baixos. Vibrio cholerae, a bactria causadora do clera, produz um glicoclice que facilita a sua ligao s clulas do intestino del-gado. Um glicoclice tambm pode proteger uma clula contra a desidratao, e sua viscosidade pode inibir o movimento dos nu-trientes para fora da clula.

FlagelosAlgumas clulas procariticas possuem flagelos, que so longos apndices filamentosos que propelem as bactrias. As bactrias sem flagelos so denominadas atrqueas (sem projees). Os flage-

los podem ser peritrqueos (distribudos ao longo de toda a clula; Figura 4.7a) ou polares (em um ou ambos os polos da clula). Se for polar, o flagelo pode ser monotrqueo (um nico flagelo em um polo; Figura 4.7b), lofotrqueo (um tufo de flagelo na extremidade da clula; Figura 4.7c), ou anfitrqueo (flagelos em ambas as extre-midades celulares; Figura 4.7d).

Um flagelo tem trs partes bsicas (Figura 4.8). A longa regio mais externa, o filamento, tem dimetro constante e contm a pro-tena globular flagelina (grosseiramente esfrica), distribuda em vrias cadeias que se entrelaam e formam uma hlice em torno de um centro oco. Na maioria das bactrias, os filamentos no so co-bertos por uma membrana ou bainha, como nas clulas eucariti-cas. O filamento est aderido a um gancho ligeiramente mais largo, consistindo de uma protena diferente. A terceira poro do flagelo o corpo basal, que ancora o flagelo parede celular e membrana plasmtica.

O corpo basal composto de uma pequena haste central in-serida em uma srie de anis. As bactrias gram-negativas contm dois pares de anis; o par externo est ancorado a vrias pores da parede celular, e o par interno est ancorado membrana plas-mtica. Nas bactrias gram-positivas, somente o par interno est presente. Como voc ver posteriormente, os flagelos (e clios) das clulas eucariticas so mais complexos que os das clulas proca-riticas.

Cada flagelo procaritico uma estrutura helicoidal semirr-gida que move a clula pela rotao do corpo basal. A rotao de

(a) Peritrqueo0,5 m

0,5 m 5 m

0,5 m

(c) Lofotrqueo e polar (d) Anfitrqueo e polar

(b) Monotrqueo e polarMEV MEV

MEVMEV

Figura 4.7 Arranjos de flagelos bacterianos. (a) Peritrqueo. (b) (d) Polar.

P Quais so algumas das principais diferenas e similaridades entre flagelos e endoflagelos?

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um flagelo pode ter sentido horrio ou anti-horrio em torno de seu eixo longo. (Os flagelos eucariticos, ao contrrio, realizam um movimento ondulante.) O movimento de um flagelo procaritico resulta da rotao de seu corpo basal e similar ao movimento da haste de um motor eltrico. medida que os flagelos giram, for-mam um feixe que empurra o lquido circundante e propele a bac-tria. A rotao flagelar depende da gerao contnua de energia pela clula.

As clulas bacterianas podem alterar a velocidade e a direo de rotao dos flagelos; portanto, so capazes de vrios padres de mobilidade, a capacidade de um organismo de se mover por si prprio. Quando uma bactria se move em uma direo por um perodo de tempo, o movimento denominado corrida ou nado. As corridas so interrompidas por alteraes peridicas, abruptas e aleatrias na direo, denominadas desvios. Ento, a corrida reco-mea. Os desvios so causados por uma inverso da rotao flage-lar (Figura 4.9a). Algumas espcies de bactrias dotadas de muitos flagelos Proteus, por exemplo (Figura 4.9b) podem deslizar, ou mostrar um movimento rpido ondulatrio atravs de um meio de cultura slido.

Uma vantagem da mobilidade que ela permite a uma bact-ria se mover em direo a um ambiente favorvel ou para longe de um ambiente adverso. O movimento de uma bactria para perto ou para longe de um estmulo particular denominado taxia. Tais es-tmulos incluem os qumicos (quimiotaxia) e a luz (fototaxia). As

bactrias mveis contm receptores em vrias localizaes, como dentro ou logo abaixo da parede celular. Esses receptores captam os estmulos qumicos, como o oxignio, a ribose e a galactose. Em resposta aos estmulos, a informao passada para os flagelos. Se um sinal quimiottico positivo, denominado atraente, as bactrias se movem em direo ao estmulo com muitas corridas e poucos desvios. Se um sinal quimiottico negativo, denominado repe-lente, a frequncia de desvios aumenta medida que a bactria se move para longe do estmulo.

A protena flagelar antgeno H til para diferenciar entre os sorovares, ou variaes dentro de uma espcie de bactrias gram--negativas (veja a pgina 310). Por exemplo, existem no mnimo 50 antgenos H diferentes para a E. coli. Aqueles sorovares iden-tificados como E. coli O157:H7 esto associados a epidemias de intoxicao alimentar (veja o Captulo 1, pgina 20).

Filamentos axiaisAs espiroquetas so um grupo de bactrias que possuem estrutura e mobilidade exclusivas. Uma das espiroquetas mais conhecidas o Treponema pallidum, o agente causador da sfilis. Outra espiroque-ta a Borrelia burgdorferi, o agente causador da doena de Lyme. As espiroquetas se movem por meio de filamentos axiais ou en-doflagelos, feixes de fibrilas que se originam nas extremidades das clulas, sob uma bainha externa, e fazem uma espiral em torno da clula (Figura 4.10).

Membranaplasmtica

Parede celular Corpo basal

Gram--negativa

Peptideoglicano

Membranaexterna

Gancho

Corpo basal

Peptideoglicano

Gancho

Filamento

Citoplasma

Flagelo

Membranaplasmtica

Parede celular

Gram--positiva

Filamento

Citoplasma

Flagelo

(a) As partes e a fixao de um flagelo de uma bactria gram-negativa. (b) As partes e a fixao de um flagelo de uma bactria gram-positiva.

Figura 4.8 A estrutura de um flagelo procaritico. As partes e a fixao de um flagelo de uma bactria gram-negativa e de uma bactria gram-positiva so mostradas neste diagrama altamente

esquemtico.

P Como os corpos basais das bactrias gram-negativas e gram-positivas diferem?

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Microbiologia 83

Os filamentos axiais, que esto ancorados em uma extremidade da espiroqueta, possuem uma estrutura similar dos flagelos. A ro-tao dos filamentos produz um movimento da bainha externa que impulsiona as espiroquetas em um movimento espiral. Esse tipo de movimento semelhante ao modo como um saca-rolhas se move atravs da rolha. Esse movimento tipo saca-rolhas provavelmente permite que bactrias como o T. pallidum movam-se efetivamente atravs dos fluidos corporais.

Fmbrias e piliMuitas bactrias gram-negativas contm apndices semelhantes a pelos que so mais curtos, retos e finos que os flagelos e que so usados mais para fixao e transferncia de DNA que para mobili-dade. Essas estruturas, que consistem em uma protena denomina-da pilina, distribuda de modo helicoidal em torno de um eixo cen-tral, so divididas em dois tipos, fmbrias e pili, possuindo funes muito diferentes. (Alguns microbiologistas usam os dois termos de maneira indiferenciada para se referir a essas estruturas, mas ns as diferenciamos.)

As fmbrias podem ocorrer nos polos da clula bacteriana, ou podem estar homogeneamente distribudas em toda a super-fcie da clula. Elas podem variar em nmero, de algumas unida-des a muitas centenas por clula (Figura 4.11). As fmbrias tm uma tendncia a se aderir umas s outras e s superfcies. Como resultado, elas esto envolvidas na formao de biofilmes e outros agregados na superfcie de lquidos, vidros e pedras. Por exem-

plo, as fmbrias da bactria Neisseria gonorrhoeae, o agente causa-dor da gonorreia, auxiliam o micrbio a colonizar as membranas mucosas. Uma vez que a colonizao ocorre, as bactrias podem causar doena. Quando as fmbrias esto ausentes (devido mutao gentica), a colonizao no pode ocorrer, e nenhuma doena aparece.

Os pili (singular: pilus) normalmente so mais longos que as fmbrias, e h apenas um ou dois por clula. Os pili esto envolvi-dos na mobilidade celular e na transferncia de DNA. Em um tipo de mobilidade da superfcie bacteriana, denominada translocao bacteriana, o pilus estendido pela adio de unidades de pilina, faz contato com a superfcie ou com outras clulas e ento se retrai medida que as unidades de pilina vo sendo desmontadas. Esse modelo denominado modelo do gancho atracado da mobilidade de translocao e resulta em movimentos curtos, abruptos e inter-mitentes. Esse movimento tem sido observado em Pseudomonas aeruginosa, Neisseria gonorrhoeae e algumas linhas de E. coli. Outro tipo de movimento associado aos pili a mobilidade por deslizamento, o movimento homogneo de deslizamento das mi-xobactrias. Embora o mecanismo exato seja desconhecido para a maioria das mixobactrias, algumas utilizam a retrao do pilus. A mobilidade por deslizamento fornece uma maneira para os micr-bios viajarem nos ambientes com baixo contedo de gua, como os biofilmes e o solo.

Alguns pili so utilizados para agregar as bactrias e facilitar a transferncia de DNA entre elas, um processo chamado de con-

(a) Uma bactria correndo e se desviando. Observe que a direo da rotao flagelar(setas azuis) determina qual movimento ocorreu. As setas cinzas determinam a direodo movimento do micrbio.

(b) Uma clula de Proteus no estgio populoso pode termais de mil flagelos peritrqueos.

Corrida

Corrida

Corrida

Desvio

Desvio

Desvio

2 mMET

Figura 4.9 Flagelos e mobilidade bacteriana.

P Os flagelos bacterianos empurram ou puxam as bactrias?

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jugao. Estes pili so denominados pili de conjugao (sexuais) (veja a pgina 236). Nesse processo, o pilus de conjugao de uma bactria chamada de clula F

+ conecta-se ao receptor na superfcie

de outra bactria de sua prpria espcie ou de espcies diferen-tes. As duas clulas fazem contato fsico, e o DNA da clula F

+

transferido para a outra clula. O DNA compartilhado pode adi-cionar uma nova funo clula receptora, como a resistncia a um antibitico ou a habilidade de degradar o seu meio com mais eficincia.

TESTE SEU CONHECIMENTO

3 Por que as cpsulas bacterianas possuem importncia mdica? 4-3

3 Como as bactrias se movem? 4-4

A parede celularOBJETIVOS DO APRENDIZADO

4-5 Comparar e diferenciar as paredes celulares de bactrias

gram-positivas e gram-negativas, bactrias lcool-cido

resistentes, arquibactrias e micoplasmas.

4-6 Comparar e diferenciar arquibactrias e micoplasmas.

4-7 Diferenciar protoplasma, esferoplasma e forma L.

A parede celular de uma clula bacteriana uma estrutura complexa, semirrgida, responsvel pela forma da clula. A pare-de celular circunda a frgil membrana plasmtica (membrana ci-toplasmtica), protegendo-a e ao interior da clula das alteraes adversas no ambiente externo (veja a Figura 4.6). Quase todos os procariotos possuem paredes celulares.

A principal funo da parede celular prevenir a ruptura das clulas bacterianas quando a presso da gua dentro da clula

Bainha externa

Filamento axial

(a) Uma fotomicrografia da espiroqueta Leptospira,mostrando um filamento axial.

(b) Um diagrama de filamentos axiais enrolando-seem torno de uma parte de uma espiroqueta.

Filamento axial

Parede celular

1 mMEV

Figura 4.10 Filamentos axiais.

P Em que as espiroquetas e os espirilos diferem?

Fmbrias

1 mMET

Figura 4.11 Fmbrias. As fmbrias parecem pelos nesta clula de E. coli, que est comeando a se dividir.

P Qual a funo das fmbrias?

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Microbiologia 85

maior que fora dela (veja a Figura 4.18d, pgina 93). Ela tambm ajuda a manter a forma de uma bactria e serve como ponto de ancoragem para os flagelos. medida que o volume de uma clu-la bacteriana aumenta, sua membrana plasmtica e parede celular se estendem conforme necessrio. Clinicamente, a parede celular importante, pois contribui para a capacidade de algumas espcies causarem doenas e tambm por ser o local de ao de alguns an-tibiticos. Alm disso, a composio qumica da parede celular usada para diferenciar os principais tipos de bactrias.

Embora as clulas de alguns eucariotos, incluindo plantas, al-gas e fungos, tenham paredes celulares, suas paredes diferem qui-micamente daquelas dos procariotos, sendo mais simples estrutu-ralmente e menos rgidas.

Composio e caractersticasA parede celular bacteriana composta de uma rede macromo-lecular denominada peptideoglicana (tambm conhecida como murena), que est presente isoladamente ou em combinao com outras substncias. A peptideoglicana consiste em um dissacardeo repetitivo ligado por polipeptdeos para formar uma rede que cir-cunda e protege toda a clula. A poro dissacardica composta de monossacardeos denominados N-acetilglicosamina (NAG) e cido N-acetilmurmico (NAM) (de murus, significando parede), que esto relacionados glicose. As frmulas estruturais de NAG e NAM so mostradas na Figura 4.12.

Os vrios componentes da peptideoglicana esto reunidos na parede celular (Figura 4.13a). Molculas alternadas de NAM e NAG so ligadas em filas de 10 a 65 acares para formar um esqueleto de carboidratos (a poro glicana da peptideoglicana). Filas adja-centes so ligadas por polipeptdeos (a poro peptdica da pep-tideoglicana). Embora a estrutura da ligao polipeptdica possa variar, ela sempre inclui cadeias laterais de tetrapeptdeos, as quais consistem em quatro aminocidos ligados ao NAM no esqueleto. Os aminocidos ocorrem em um padro alternado de formas D e L (veja a Figura 2.13, pgina 43). Este padro nico, pois os ami-nocidos encontrados em outras protenas so formas L. As cadeias laterais paralelas de tetrapeptdeos podem ser ligadas diretamente umas s outras ou unidas por uma ponte cruzada peptdica, consis-tindo de uma cadeia curta de aminocidos.

A penicilina interfere com a ligao final das filas de peptide-oglicanas pelas pontes cruzadas peptdicas (veja a Figura 4.13a). Como resultado, a parede celular muito enfraquecida e a clula sofre lise, uma destruio causada pela ruptura da membrana plas-mtica e pela perda de citoplasma.

Paredes celulares de gram-positivas

Na maioria das bactrias gram-positivas, a parede celular consiste em muitas camadas de peptideoglicana, formando uma estrutura espessa e rgida (Figura 4.13b). Em contraste, as paredes celulares de gram-negativas contm somente uma camada fina de peptideo-glicana (Figura 4.13c).

Alm disso, as paredes celulares das bactrias gram-positivas contm cidos teicoicos, que consistem principalmente de um l-cool (como o glicerol ou ribitol) e fosfato. Existem duas classes de cidos teicoicos: cido lipoteicoico, que atravessa a camada de peptideoglicana e est ligado membrana plasmtica, e cido

teicoico da parede, que est ligado camada de peptideoglicana. Devido sua carga negativa (proveniente dos grupos fosfato), os cidos teicoicos podem se ligar e regular o movimento de ctions (ons positivos) para dentro e para fora da clula. Eles tambm podem assumir um papel no crescimento celular, impedindo a ruptura extensa da parede e a possvel lise celular. Finalmente, os cidos teicoicos fornecem boa parte da especificidade antig-nica da parede e, portanto, tornam possvel identificar bactrias gram-positivas utilizando determinados testes laboratoriais (veja o Captulo 10). Da mesma forma, a parede celular dos estrep-tococos gram-positivos recoberta com vrios polissacardeos que permitem que eles sejam agrupados em tipos clinicamente significativos.

Paredes celulares de gram-negativas

As paredes celulares das bactrias gram-negativas consistem em uma ou poucas camadas de peptideoglicana e uma membrana ex-terna (veja a Figura 4.13c). A peptideoglicana est ligada a lipopro-tenas (lipdeos covalentemente ligados a protenas) na membrana externa e est no periplasma, um fluido semelhante a um gel, entre a membrana externa e a membrana plasmtica. O periplasma con-tm uma alta concentrao de enzimas de degradao e protenas de transporte. As paredes celulares gram-negativas no contm ci-dos teicoicos. Como as paredes celulares das bactrias gram-negati-vas contm somente uma pequena quantidade de peptideoglicana, so mais suscetveis ao rompimento mecnico.

A membrana externa da clula gram-negativa consiste em li-popolissacardeos (LPS), lipoprotenas e fosfolipdeos (veja a figura 4.13c). A membrana externa tem vrias funes especializadas. Sua forte carga negativa um fator importante na evaso da fagocitose e nas aes do complemento (causa lise de clulas e promove a fa-gocitose), dois componentes das defesas do hospedeiro (discutidos em detalhe no Captulo 16). A membrana externa tambm fornece

CH2OH

OH

H

H

O

H

NH

H

O

CH2OH

H

H

O

HH

O

C

CH3

O

O

NH

C

CH3

OO

HC CH3

C O

OH

N-acetilglicosamina(NAG)

cido N-acetilmurmico(NAM)

Figura 4.12 N-acetilglicosamina (NAG) e cido N-acetilmurmi-co (NAM) unidos como na peptideoglicana. As reas douradas mos-

tram as diferenas entre as duas molculas. A ligao entre elas denominada

ligao -1,4.

P Que tipo de molculas so estas: carboidratos, lipdeos ou protenas?

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86 Tortora, Funke & Case

Cadeia lateral tetrapeptdica

Ponte cruzada peptdica

Esqueleto decarboidrato

cido N-acetilmurmico (NAM)

Cadeia lateral de aminocido

Ponte cruzada de aminocido

(a) Estrutura de peptideoglicana em bactria gram-positiva

Protena

Membranaplasmtica

Paredecelular

cido teicoicode parede

cidolipoteicoico

Peptideoglicana

(c) Parede celular gram-negativa

(b) Parede celular gram-positiva

Lipopolissacardeo

Membrana externa

Peptideoglicana

Membranaplasmtica

Parede celular

Polissacardeo OCerne polissacardicoLipdeo A

Protena porina

Fosfolipdeo

Lipoprotena

Periplasma Protena

Lipdeo A

Cerne polissacardico

Polissacardeo O

Ligao peptdica

NAG

NAG

NAM

Partes do LPS

N-acetilglicosamina (NAG)

Figura 4.13 Paredes celulares bacterianas. (a) A estrutura da peptideoglicana em bact-rias gram-positivas. Juntos, o esqueleto de carboidrato (poro glicana) e as cadeias laterais tetrapep-

tdicas (poro peptdica) compem a peptideoglicana. A frequncia de pontes cruzadas peptdicas

e o nmero de aminocidos nessas pontes variam com a espcie de bactria. As pequenas setas

indicam onde a penicilina interfere com a ligao das fileiras de peptideoglicano por pontes cruzadas

peptdicas. (b) Uma parede celular gram-positiva. (c) Uma parede celular gram-negativa.

P Quais so as principais diferenas estruturais entre as paredes celulares de gram-positivas e gram-negativas?

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Microbiologia 87

uma barreira para certos antibiticos (p. ex., penicilina), enzimas digestivas como a lisozima, detergentes, metais pesados, sais bilia-res e certos corantes.

Entretanto, a membrana externa no fornece uma barreira para todas as substncias no ambiente, pois os nutrientes devem atravess-la para garantir o metabolismo celular. Parte da permea-bilidade da membrana externa devida a protenas na membrana, denominadas porinas, que formam canais. As porinas permitem a passagem de molculas como nucleotdeos, dissacardeos, pept-deos, aminocidos, vitamina B12 e ferro.

O lipopolissacardeo (LPS) da membrana externa uma molcula grande e complexa que contm lipdeos e carboidratos e que consiste em trs componentes: (1) lipdeo A, (2) um cerne polissacardico e (3) um polissacardeo O. O lipdeo A a poro lipdica do LPS e est embebido na parede superior da membrana externa. Quando bactrias gram-negativas morrem, elas liberam lipdeo A, que funciona como uma endotoxina (Captulo 15). O li-pdeo A responsvel pelos sintomas associados a bactrias gram--negativas, como febre, dilatao de vasos venosos, choque e for-mao de cogulos sanguneos. O cerne polissacardico ligado ao lipdeo A e contm acares incomuns. Seu papel estrutural fornecer estabilidade. O polissacardeo O se estende para fora do cerne polissacardico e composto por molculas de acar. O polissacardeo O funciona como um antgeno, sendo til para diferenciar espcies de bactrias gram-negativas. Por exemplo, o patgeno alimentar E. coli O157:H7 diferenciado dos outros so-rovares por certos exames laboratoriais que procuram pelos ant-genos especficos. Esse papel comparvel ao dos cidos teicoicos nas clulas gram-positivas.

Paredes celulares e mecanismo da colorao de GramAgora que voc estudou a colorao de Gram (no Captulo 3, pgi-na 69) e a qumica da parede celular bacteriana (na seo anterior), mais fcil compreender o mecanismo da colorao de Gram. Esse mecanismo tem como base as diferenas nas estruturas da pare-de celular das bactrias gram-positivas e gram-negativas e como cada uma dessas estruturas reage aos vrios reagentes (substncias utilizadas para produzir uma reao qumica). Cristal violeta, o co-rante primrio, cora as clulas gram-positivas e gram-negativas de prpura, pois penetra no citoplasma de ambos os tipos celulares. Quando o lugol, soluo iodo-iodetada (o mordente), aplicado, forma cristais com o corante que so muito grandes para escapar pela parede celular. A aplicao de lcool desidrata a peptideogli-cana das clulas gram-positivas para torn-la mais impermevel ao cristal violeta-iodo. O efeito nas clulas gram-negativas bem diferente; o lcool dissolve a membrana externa das clulas gram--negativas, deixando tambm pequenos buracos na fina camada de peptideoglicana, pelos quais o cristal violeta-iodo se difunde. Como as bactrias gram-negativas ficam incolores aps a lavagem com lcool, a adio de safranina (contracorante) torna as clulas cor-de-rosa. A safranina fornece a cor contrastante colorao pri-mria (cristal violeta). Embora as clulas gram-positivas e gram--negativas absorvam a safranina, a colorao rosa da safranina

mascarada pelo corante roxo-escuro previamente absorvido pelas clulas gram-positivas.

Em qualquer populao celular, algumas clulas gram-po-sitivas apresentaro uma resposta gram-negativa. Essas clulas normalmente esto mortas. Entretanto, h alguns poucos gne-ros gram-positivos que apresentam um nmero crescente de c-lulas gram-negativas medida que a cultura envelhece. Bacillus e Clostridium so exemplos frequentemente descritos como gram--variveis.

Uma comparao de algumas das caractersticas das bactrias gram-positivas e gram-negativas apresentada na Tabela 4.1.

Paredes celulares atpicasEntre os procariotos, certos tipos de clulas no possuem pare-des ou tm pouco material de parede. Eles incluem os membros do gnero Mycoplasma e organismos relacionados (veja a Figura 11.20 na pgina 319). Os micoplasmas so as menores bactrias conhecidas que podem crescer e se reproduzir fora de clulas vivas de hospedeiros. Devido ao seu tamanho e por no terem paredes celulares, passam atravs da maioria dos filtros bacteria-nos, tendo sido inicialmente confundidos com vrus. Suas mem-branas plasmticas so nicas entre as bactrias por possurem lipdeos denominados esteris, os quais podem proteg-las da lise (ruptura).

As arquibactrias podem no ter paredes ou ter paredes inco-muns compostas de polissacardeos e protenas, mas no de pep-tideoglicana. Essas paredes, entretanto, contm uma substncia similar peptideoglicana, denominada pseudomurena. A pseudo-murena contm cido N-acetiltalosaminurnico em vez de NAM, e no possui os D-aminocidos encontrados nas paredes celulares bacterianas. As arquibactrias geralmente no podem ser coradas pelo gram, mas aparentam ser gram-negativas por no conterem peptideoglicana.

Paredes celulares lcool-cido resistentes

Como visto no Captulo 3, a colorao lcool-cido resis-tente usada para identificar todas as bactrias do gnero Mycobacterium e espcies patognicas de Nocardia. Essas bact-rias contm alta concentrao (60%) de um lipdeo creo hidro-fbico (cido miclico) em sua parede que previne a entrada dos corantes, incluindo os utilizados na colorao de Gram. O cido miclico forma uma parede externa a uma camada fina de pepti-deoglicana. O cido miclico e a peptideoglicana so unidos por um polissacardeo. A parede hidrofbica crea das clulas induz as culturas de Mycobacterium a se agregar e aderir s paredes do frasco de cultura. Bactrias lcool-cido resistentes podem ser coradas com carbolfucsina; o aquecimento aumenta a penetra-o do corante. A carbolfucsina penetra na parede celular, liga-se ao citoplasma e resiste remoo por lavagem com lcool-cido. Bactrias lcool-cido resistentes retm a cor vermelha da carbol-fucsina, pois esta substncia mais solvel no cido miclico da parede celular que no lcool-cido. Se a parede de cido micli-co for removida, estas bactrias iro se corar, pela colorao de Gram, como gram-positivas.

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Dano parede celularAs substncias qumicas que danificam a parede celular bacteriana ou interferem com sua sntese frequentemente no danificam as clulas de um hospedeiro animal, pois a parede celular bacteriana composta de substncias diferentes daquelas presentes nas clu-las eucariticas. Portanto, a sntese da parede celular o alvo de algumas drogas antimicrobianas. Um meio pelo qual a parede ce-lular pode ser danificada pela exposio enzima digestiva lisozi-ma. Essa enzima ocorre naturalmente em algumas clulas eucari-ticas, sendo um constituinte das lgrimas, do muco e da saliva. A lisozima particularmente ativa sobre os principais componentes

da parede celular da maioria das bactrias gram-positivas, tornan-do-as vulnerveis lise. A lisozima catalisa a hidrlise das pontes entre os acares nos dissacardeos repetitivos do esqueleto de peptideoglicana. Essa ao anloga a cortar os cabos de ao que suportam uma ponte: a parede celular gram-positiva destruda quase completamente pela lisozima. O contedo celular que per-manece circundado pela membrana plasmtica pode ficar intacto se a lise no ocorrer; essa clula sem parede denominada proto-plasto. Tipicamente, um protoplasto esfrico e capaz de realizar metabolismo.

Algumas caractersticas comparativas das bactrias gram-positivas e gram-negativasTabela 4.1

Caracterstica Gram-Positiva Gram-Negativa

Reao de Gram

4 mMO

Retm o corante cristal violeta e cora-se de violeta-

-escuro ou prpura

4 mMO

Pode ser descorada e aceitar o contracorante (safra-

nina) e cora-se de rosa ou vermelho

Parede de peptideoglicana Espessa (camadas mltiplas) Fina (camada nica)

cidos teicoicos Presentes em muitas Ausentes

Espao periplasmtico Ausente Presente

Membrana externa Ausente Presente

Contedo de lipopolissacardeo (LPS) Nenhum Alto

Contedo de lipdeos e lipoprotenas Baixo (as bactrias lcool-cido resistentes possuem lipdeos ligados peptideoglicana)

Alto (devido presena da membrana externa)

Estrutura flagelar Dois anis no corpo basal Quatro anis no corpo basal

Toxinas produzidas Exotoxinas Endotoxinas e exotoxinas

Resistncia ruptura fsica Alta Baixa

Ruptura da parede celular por lisozimas Alta Baixa (requer tratamento para desestabilizar a mem-brana externa)

Sensibilidade penicilina e s sulfonamidas Alta Baixa

Sensibilidade estreptomicina, ao cloranfe-nicol e tetraciclina

Baixa Alta

Inibio por corantes bsicos Alta Baixa

Sensibilidade a detergentes aninicos Alta Baixa

Resistncia azida sdica Alta Baixa

Resistncia ao ressecamento Alta Baixa

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Microbiologia 89

Alguns membros do gnero Proteus, bem como de outros g-neros, podem perder sua parede celular e transformar-se em c-lulas de formato irregular chamadas de formas L, assim denomi-nadas pelo Instituto Lister em Londres, onde foram descobertas. Elas podem ser formadas espontaneamente ou desenvolvidas em resposta penicilina (que inibe a formao da parede celular) ou lisozima (que remove a parede celular). Formas L podem viver e se dividir repetidamente ou retornar ao estado delimitado pela parede.

Quando a lisozima aplicada em clulas gram-negativas, nor-malmente a parede no destruda na mesma extenso que em clulas gram-positivas; parte da membrana externa tambm per-manece. Nesse caso, o contedo celular, a membrana plasmtica e a camada restante da parede externa so denominados esferoplasto, tambm uma estrutura esfrica. Para a lisozima exercer seu efeito sobre as clulas gram-negativas, essas so tratadas primeiramente com cido etilenodiaminatetractico (EDTA). O EDTA enfraquece as ligaes inicas na membrana externa, produzindo assim leses na mesma, fornecendo acesso para a lisozima camada de pepti-deoglicana.

Os protoplastos e os esferoplastos se rompem em gua pura ou em solues muito diludas de sal ou acar, pois as molculas de gua do lquido circundante movem-se rapidamente para dentro e aumentam a clula, que possui uma concentrao interna de gua muito menor. Essa ruptura denominada lise osmtica, e ser dis-cutida em detalhes em breve.

Conforme mencionado anteriormente, certos antibiticos como a penicilina destroem as bactrias interferindo com a for-mao das ligaes cruzadas peptdicas da peptideoglicana, im-pedindo, assim, a formao de uma parede celular funcional. A maioria das bactrias gram-negativas no to sensvel penici-lina quanto as bactrias gram-positivas, pois a membrana externa das bactrias gram-negativas forma uma barreira que inibe a en-trada dessa e de outras substncias, e as bactrias gram-negativas possuem menos ligaes cruzadas peptdicas. Contudo, as bact-rias gram-negativas so bastante suscetveis a alguns antibiticos -Lactmicos, que penetram na membrana externa melhor que a penicilina. Os antibiticos sero detalhadamente discutidos no Captulo 20.

TESTE SEU CONHECIMENTO

3 Por que as drogas que utilizam como alvo a sntese da parede celular

so teis? 4-5

3 Por que os micoplasmas so resistentes aos antibiticos que interferem

com a sntese da parede celular? 4-6

3 Como os protoplastos diferem das formas L? 4-7

Estruturas internas parede celularOBJETIVOS DO APRENDIZADO 4-8 Descrever a estrutura, a composio qumica e as funes da

membrana plasmtica procaritica.

4-9 Definir difuso simples, difuso facilitada, osmose, transporte ativo e translocao de grupo.

4-10 Identificar as funes do nucleoide e dos ribossomos.

4-11 Identificar as funes de quatro incluses.

4-12 Descrever as funes dos endosporos, da esporulao e da germinao do endosporo.

At agora discutimos a parede celular procaritica e as es-truturas externas a ela. Veremos agora o interior da clula pro-caritica e discutiremos as estruturas e as funes da membrana plasmtica e de outros componentes dentro do citoplasma celular.

A membrana plasmtica (citoplasmtica)A membrana plasmtica (citoplasmtica) (ou membrana interna) uma estrutura fina situada no interior da parede celular, revestin-do o citoplasma da clula (veja a Figura 4.6). A membrana plasm-tica dos procariotos consiste principalmente de fosfolipdeos (veja a Figura 2.10, pgina 42), que so as substncias qumicas mais abundantes na membrana, e protenas. As membranas plasmticas eucariticas tambm contm carboidrato e esteris, como o coles-terol. Como no possuem esteris, as membranas plasmticas pro-cariticas so menos rgidas que as membranas eucariticas. Uma exceo o procarioto sem parede Mycoplasma, que contm este-ris na membrana.

EstruturaEm micrografias eletrnicas, as membranas plasmticas procari-ticas e eucariticas (e as membranas externas das bactrias gram--negativas) parecem estruturas de camada dupla; existem duas linhas escuras com um espao claro entre elas (Figura 4.14a). As molculas de fosfolipdeos esto distribudas em duas linhas pa-ralelas, denominadas bicamada lipdica (Figura 4.14b). Como foi apresentado no Captulo 2, cada molcula de fosfolipdeo contm uma cabea polar, composta de um grupo fosfato e glicerol que hidroflico (amigo da gua) e solvel em gua, e caudas apolares, compostas de cidos graxos que so hidrofbicos (temem a gua) e insolveis em gua (Figura 4.14c). As cabeas polares esto nas duas superfcies da bicamada lipdica, e as caudas apolares esto no interior da bicamada.

As molculas proteicas na membrana podem estar arranjadas em uma variedade de formas. Algumas, denominadas protenas perifricas, so facilmente removidas da membrana por tratamen-tos leves e ficam situadas na superfcie interna ou externa da mem-brana. Elas podem funcionar como enzimas que catalisam reaes qumicas, como um andaime para suporte e como mediadoras das alteraes na forma da membrana durante o movimento. Ou-tras protenas, denominadas protenas integrais, podem ser re-movidas da membrana somente aps romper a bicamada lipdica (pelo uso de detergentes, p. ex.). A maioria das protenas integrais penetra a membrana completamente, sendo chamadas de prote-nas transmembrana. Algumas protenas integrais so canais que possuem um poro ou um buraco pelo qual as substncias entram e saem da clula.

Muitas das protenas e alguns dos lipdeos na superfcie ex-terna da membrana plasmtica possuem carboidratos ligados a eles. As protenas ligadas aos carboidratos so denominadas gli-coprotenas; os lipdeos ligados aos carboidratos so denomina-dos glicolipdeos. Ambos ajudam a proteger e lubrificar a clula e esto envolvidos nas interaes clula-a-clula. Por exemplo, as

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glicoprotenas possuem um papel em certas doenas infecciosas. O vrus influenza e as toxinas que causam a clera e o botulismo penetram suas clulas-alvo inicialmente por se ligarem s glico-protenas contidas em suas membranas plasmticas.

Alguns estudos demonstraram que as molculas de fosfolip-deo e protena nas membranas no so estticas, mas se movem com certa liberdade na superfcie da membrana. provvel que esse movimento esteja associado s muitas funes realizadas pela membrana plasmtica. Como as caudas dos cidos graxos se mantm aderidas, os fosfolipdeos, em presena de gua, for-mam uma camada dupla autosselante; assim, rupturas e fissuras na membrana fecham por si mesmas. A membrana deve ser to viscosa quanto o azeite de oliva para permitir que as protenas

da membrana se movam de modo livre o suficiente para realizar suas funes, sem destruir a estrutura da membrana. Esse arran-jo dinmico de fosfolipdeo e protena denominado modelo do mosaico fluido.

Funes

A funo mais importante da membrana plasmtica servir como uma barreira seletiva atravs da qual os materiais entram e saem da clula. Nessa funo, as membranas plasmticas possuem perme-abilidade seletiva (algumas vezes denominada semipermeabilida-de). Este termo indica que certas molculas e ons passam atravs da membrana, mas outros so impedidos de passar atravs dela. A permeabilidade da membrana depende de vrios fatores. As mo-

Bicamadalipdica damembrana plasmtica

Peptideoglicana

Membrana externa

(a) Membrana plasmtica da clula

(b) Bicamada lipdica da membrana plasmtica

Bicamadalipdica

Caudas apolares(hidrofbicas) (cidosgraxos)

(c) Molculas de fosfolipdeos na bicamada lipdica

Cabeas polares(hidroflicas) (grupofosfato e glicerol)

50 nm

Protena perifrica

Protena perifrica

Poro Bicamadalipdica

Cabea polar

Cabea polar

Cauda de cidograxo apolar

Protenasintegrais

Interior

Exterior

MET

Figura 4.14 Membrana plasmtica. (a) Um diagrama e micrografia mostrando a bicamada lipdica formando a membrana plasmtica interna da bactria gram-negativa Aquaspirillum serpens. As

camadas da parede celular, incluindo a membrana externa, podem ser vistas fora da membrana inter-

na. (b) Uma poro da membrana interna, mostrando a bicamada lipdica e as protenas. A membrana

externa das bactrias gram-negativas tambm uma camada dupla de fosfolipdeo. (c) Modelos

tridimensionais de vrias molculas como esto distribudas na bicamada lipdica.

P Como a ao das polimixinas nas membranas plasmticas?

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Microbiologia 91

lculas grandes (como as protenas) no podem passar atravs da membrana plasmtica, possivelmente por serem maiores que os poros nas protenas integrais, os quais funcionam como canais. Po-rm, as molculas menores (como a gua, o oxignio, o dixido de carbono e alguns acares simples) em geral conseguem atraves-s-la com facilidade. Os ons penetram na membrana muito len-tamente. As substncias que se dissolvem facilmente em lipdeos (como o oxignio, o dixido de carbono e as molculas orgnicas apolares) entram e saem com mais facilidade que outras substn-cias, pois a membrana composta principalmente de fosfolpides. O movimento de materiais atravs das membranas plasmticas tambm depende de molculas transportadoras, que sero descri-tas em breve.

As membranas plasmticas tambm so importantes na di-gesto de nutrientes e na produo de energia. As membranas plasmticas das bactrias contm enzimas capazes de catalisar as reaes qumicas que degradam os nutrientes e produzem ATP. Em algumas bactrias, os pigmentos e as enzimas envolvidos na fotossntese so encontrados em invaginaes da membra-na plasmtica que se estendem ao citoplasma. Essas estruturas membranosas so denominadas cromatforos ou tilacoides (Fi-gura 4.15).

Quando examinadas ao microscpio eletrnico, as membra-nas plasmticas bacterianas frequentemente parecem conter uma ou mais invaginaes grandes e irregulares denominadas mesos-somos. Muitas funes foram propostas para os mesossomos. En-tretanto, agora se sabe que eles so artefatos, e no estruturas ce-lulares verdadeiras. Acredita-se que os mesossomos sejam dobras na membrana plasmtica que se desenvolvem devido ao processo usado para preparar amostras para microscopia eletrnica.

Destruio da membrana plasmtica por agentes

antimicrobianos

Uma vez que a membrana plasmtica vital para a clula bacte-riana, no surpreendente que muitos agentes antimicrobianos exeram seus efeitos neste stio. Alm das substncias qumicas que danificam a parede celular e assim expem indiretamente a membrana leso, muitos compostos danificam especificamente as membranas plasmticas. Esses compostos incluem certos alcois e compostos de amnio quaternrio, usados como desinfetantes. Por romper os fosfolipdeos de membrana, um grupo de antibiticos conhecido como polimixinas produz o vazamento do contedo in-tracelular e a subsequente morte celular. Esse mecanismo ser dis-cutido no Captulo 20.

O movimento de materiais atravs das membranasOs materiais se movem atravs das membranas plasmticas de ambas as clulas procariticas e eucariticas por dois tipos de processos: passivo e ativo. Nos processos passivos, as substncias atravessam a membrana de uma rea de alta concentrao para uma rea de baixa concentrao (se movem a favor do gradiente de concentrao, ou diferena), sem qualquer gasto de energia (ATP) pela clula. Nos processos ativos, a clula deve usar ener-gia (ATP) para mover as substncias das reas de baixa concen-

trao para as reas de alta concentrao (contra o gradiente de concentrao).

Processos passivos Os processos passivos incluem a difuso simples, a difuso facilitada e a osmose.

A difuso simples a rede (geral) de movimento das molcu-las ou dos ons de uma rea de alta concentrao para uma rea de baixa concentrao (Figura 4.16 e Figura 4.17a). O movimento con-tinua at que as molculas ou os ons sejam distribudos uniforme-mente. O ponto de distribuio uniforme denominado equilbrio. As clulas utilizam a difuso simples para transportar certas mol-culas pequenas, como o oxignio e o dixido de carbono, atravs de suas membranas celulares.

Na difuso facilitada, as protenas integrais de membrana fun-cionam como canais ou carreadores que facilitam o movimento de ons ou grandes molculas atravs da membrana plasmtica. Estas protenas integrais so denominadas protenas transportadoras ou permeases. A difuso facilitada similar difuso simples no sen-tido de que a clula no gasta energia, uma vez que a substncia se move de uma concentrao alta para uma concentrao baixa. O processo difere da difuso simples pelo uso das protenas trans-portadoras, que permitem a passagem da maioria dos pequenos ons inorgnicos, os quais so muito hidroflicos para penetrar o interior apolar da bicamada lipdica (Figura 4.17b). Essas protenas transportadoras, que so comuns em procariotos, so inespecficas e permitem a passagem de uma grande variedade de ons (ou at de pequenas molculas). Outras protenas transportadoras, que so comuns em eucariotos, so especficas e transportam somente mo-lculas especficas, geralmente de grande tamanho, como acares simples (glicose, frutose e galactose) e vitaminas. Neste processo, a substncia transportada liga-se a uma protena transportadora es-pecfica na superfcie externa da membrana plasmtica, a qual sofre

Cromatforos

0,7 mMET

Figura 4.15 Cromatforos. Nessa micrografia do Rhodospirillum rubrum, uma bactria prpura (no sulfurosa), os cromatforos so claramente visveis.

P Qual a funo dos cromatforos?

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92 Tortora, Funke & Case

uma mudana de formato; ento, a protena libera a substncia do outro lado da membrana (Figura 4.17c).

Em alguns casos, as molculas que as bactrias necessitam so muito grandes para serem transportadas para a clula por estes mtodos. Porm, a maioria das bactrias produz enzimas que podem degradar as molculas grandes em molculas mais simples (como protenas em aminocidos ou polissacardeos em acares simples). Essas enzimas, que so liberadas pelas bac-trias no meio circundante, so apropriadamente denominadas

enzimas extracelulares. Uma vez que as enzimas degradam as molculas grandes, as subunidades se movem para dentro da c-lula com o auxlio de transportadores. Por exemplo, os transpor-tadores especficos recuperam as bases de DNA, como a purina guanina, do meio extracelular e trazem-nas para o citoplasma da clula.

Osmose a rede de movimento de molculas de solvente atra-vs de uma membrana seletivamente permevel, de uma rea de alta concentrao de molculas de solvente (baixa concentrao de molculas de soluto) para uma rea de baixa concentrao de molculas de solvente (alta concentrao de molculas de soluto). Nos sistemas vivos, o principal solvente a gua. Molculas de gua passam pela membrana plasmtica se movendo atravs da bicama-da lipdica por difuso simples ou atravs das protenas integrais de membrana, chamadas de aquaporinas, que funcionam como canais de gua (Figura 4.17d).

A osmose pode ser demonstrada com o sistema mostrado na Figura 4.18a. Um saco de celofane, que uma membrana seleti-vamente permevel, preenchido com uma soluo de sacarose (acar de mesa) a 20%. O saco de celofane colocado em um copo de Becker contendo gua destilada. Inicialmente, as concen-traes de gua de cada lado da membrana so diferentes. Devido s molculas de sacarose, a concentrao de gua menor dentro do saco de celofane. Assim, a gua se move do Becker (onde sua concentrao maior) para o saco de celofane (onde sua concen-trao menor).

Entretanto, no h movimento de acar para fora do saco de celofane, uma vez que o celofane impermevel s molculas de acar essas molculas so muito grandes para atravessar os poros da membrana. medida que a gua se move para o saco de celofane, a soluo de acar torna-se cada vez mais diluda e, quando o saco de celofane se expande at o limite mximo, como resultado do volume aumentado de gua, a gua comea a se mo-

(a) (b)

Figura 4.16 O princpio da difuso simples. (a) Aps uma pastilha de corante ser colocada em um recipiente com gua, as molculas de corante

na pastilha se difundem na gua, de uma rea de alta concentrao de corante

para as reas de baixa concentrao de corante. (b) Corante permanganato de

potssio no processo de difuso.

P Qual a caracterstica que distingue um processo passivo?

+

+

Substnciatransportada

Transportadorno especfico

Transportadorespecfico

Aquaporina

Interior

Exterior

Glicose

Membranaplasmtica

(a) Difuso simples atravsda bicamada lipdica

(b) Difuso facilitada atravs deum transportador no especfico

(c) Difuso facilitada atravs de umtransportador especfico

(d) Osmose atravs da bicamada lipdica(esquerda) e uma aquaporina (direita)

++ +

+

++

+

Figura 4.17 Difuso facilitada. As protenas transportadoras na membrana plasmtica trans-portam as molculas atravs da membrana, de uma rea de alta concentrao para uma de baixa con-

centrao (no sentido do gradiente de concentrao). A molcula transportadora provavelmente sofre

uma alterao na forma para transportar uma substncia. O processo no necessita de ATP.

P Como a difuso simples difere da difuso facilitada?

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Microbiologia 93

ver para cima no tubo de vidro. Com o tempo, a gua que se acu-mulou no saco de celofane e o tubo de vidro exercem uma presso para baixo, que fora as molculas de gua para fora do saco de celofane e de volta ao Becker. Esse movimento da gua atravs de uma membrana seletivamente permevel produz presso os-mtica. A presso osmtica a presso necessria para impedir o movimento de gua pura (gua sem solutos) para uma soluo contendo alguns solutos. Em outras palavras, a presso osmtica a presso necessria para interromper o fluxo de gua atravs da membrana seletivamente permevel (celofane). Quando as mol-culas de gua saem e entram do saco de celofane na mesma veloci-dade, o equilbrio atingido (Figura 4.18b).

Uma clula bacteriana pode estar sujeita a qualquer um dos trs tipos de solues osmticas: isotnica, hipotnica ou hipert-nica. Uma soluo isotnica um meio no qual a concentrao to-tal de solutos se iguala com aquela encontrada dentro da clula (iso significa igual). A gua sai e entra na clula na mesma velocidade (sem alterao lquida); o contedo celular est em equilbrio com a soluo do exterior celular (Figura 4.18c).

Anteriormente mencionamos que a lisozima e certos anti-biticos (como a penicilina) danificam as paredes celulares bac-terianas, induzindo o rompimento ou a lise celular. Essa ruptura ocorre porque o citoplasma bacteriano normalmente contm uma concentrao to alta de solutos que, quando a parede enfra-

Tubo de vidro

Rolhade borracha

Anelde borracha

Molculade sacarose

Molculade gua

Citoplasma Soluto Membrana plasmtica

Paredecelular

gua

(c) Soluo isotnica. Sem movimentototal de gua.

(d) Soluo hipotnica. A gua se movepara dentro da clula. Se a paredecelular forte, ela contm a dilatao.Se a parede estiver fraca ou danificada,a clula se rompe (lise osmtica).

(e) Soluo hipertnica. A gua semove para fora da clula, fazendo seucitoplasma encolher (plasmlise).

(a) No incio do experimentode presso osmtica

(b) Em equilbrio

Saco decelofane

Figura 4.18 O princpio da osmose. (a) Situao no incio de um experimento com presso osmtica. As molculas de gua comeam a se mover do Becker para o saco, no sentido do gra-

diente de concentrao. (b) Situao em equilbrio. A presso osmtica exercida pela soluo no

saco empurra as molculas de gua do saco para o copo de Becker, para equilibrar a velocidade de

entrada de gua no saco. A altura da soluo no tubo de vidro em equilbrio uma medida da presso

osmtica. (c)-(e) Os efeitos de vrias solues sobre as clulas bacterianas.

P O que osmose?

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quecida ou removida, gua adicional entra na clula por osmose. A parede celular danificada (ou removida) no pode impedir o inchamento da membrana citoplasmtica, e ela se rompe. Esse um exemplo de lise osmtica causada por imerso em uma so-luo hipotnica. Uma soluo hipotnica fora da clula um meio cuja concentrao de solutos inferior ao interior da clu-la (hipo significa abaixo de ou menos). A maioria das bactrias vive em solues hipotnicas, e a parede celular resiste osmose e protege a clula da lise. As clulas com paredes celulares mais fracas, como as bactrias gram-negativas, podem se romper ou sofrer lise osmtica como resultado da entrada excessiva de gua (Figura 4.18d).

Uma soluo hipertnica um meio que contm uma alta concentrao de solutos dentro da clula (hiper significa acima ou mais). A maioria das clulas colocadas em solues hipertnicas murcha e entra em colapso ou plasmlise, pois a gua sai das c-lulas por osmose (Figura 4.18e). Tenha em mente que os termos isotnica, hipotnica e hipertnica descrevem a concentrao das solues fora da clula, relativa concentrao dentro da clula.

Processos ativos A difuso simples e a difuso facilitada so me-canismos teis para transportar substncias para dentro das clulas quando a concentrao dessas substncias for maior fora da clula. Contudo, quando uma clula bacteriana est em um ambiente em que h baixa concentrao de nutrientes, a clula precisa utilizar processos ativos, como o transporte ativo e a translocao de grupo, para acumular as substncias necessrias.

Ao realizar um transporte ativo, a clula utiliza energia na forma de Trifosfato de Adenosina (ATP) para mover as substncias atravs da membrana plasmtica. Entre as substncias ativamente transportadas esto os ons (p. ex., Na+, K+, H+, Ca2+ e Cl), os ami-nocidos e os acares simples. Embora essas substncias tambm possam ser movidas para dentro da clula por processos passivos, sua movimentao por processos ativos pode ir contra um gra-diente de concentrao, permitindo clula acumular o material necessrio. O movimento de uma substncia por transporte ativo normalmente ocorre de fora para dentro, mesmo que a concentra-o seja muito maior no interior celular. Assim como na difuso facilitada, o transporte ativo depende de protenas transportadoras na membrana plasmtica (veja a Figura 4.17b,c). Parece haver um transportador diferente para cada substncia ou grupo de substn-cias transportadas intimamente relacionadas. O transporte ativo permite aos micro-organismos mover substncias atravs da mem-brana plasmtica em uma velocidade constante, mesmo se elas es-tiverem em baixa suplementao.

No transporte ativo, a substncia que atravessa a membrana no alterada pelo transporte atravs da mesma. Na transloca-o de grupo, uma forma especial de transporte ativo que ocorre exclusivamente em procariotos, a substncia alterada quimica-mente durante o transporte atravs da membrana. Uma vez que a substncia seja alterada e esteja dentro da clula, a membrana plasmtica se torna impermevel a ela, ento a substncia perma-nece dentro da clula. Esse mecanismo importante permite c-lula acumular vrias substncias, mesmo que estejam em baixas concentraes fora dela. A translocao de grupo requer energia,

suprida por compostos de fosfato de alta energia, como o cido fosfoenolpirvico (PEP).

Um exemplo de translocao de grupo o transporte do a-car glicose, que frequentemente usado em meios de crescimento para bactrias. Enquanto uma protena transportadora especfica est transportando a molcula de glicose atravs da membrana, um grupo fosfato adicionado ao acar. Essa forma fosforilada de gli-cose, que no pode ser transportada para fora, pode ento ser usada nas vias metablicas celulares.

Algumas clulas eucariticas (aquelas sem paredes celulares) podem usar dois processos adicionais de transporte ativo, denomi-nados fagocitose e pinocitose. Esses processos, que no ocorrem em bactrias, so explicados na pgina 100.

TESTE SEU CONHECIMENTO

3 Quais agentes podem causar dano membrana plasmtica bacteria-

na? 4-8

3 O quanto os processos de difuso simples e difuso facilitada so simi-

lares? O quanto eles so diferentes? 4-9

CitoplasmaPara uma clula procaritica, o termo citoplasma refere-se a uma substncia da clula no interior da membrana plasmtica (veja a Fi-gura 4.6). Cerca de 80% do citoplasma so compostos de gua, con-tendo principalmente protenas (enzimas), carboidratos, lipdeos, ons inorgnicos e compostos de peso molecular muito baixo. Os ons inorgnicos esto presentes em concentraes muito maiores no citoplasma que na maioria dos meios. O citoplasma espesso, aquoso, semitransparente e elstico. As principais estruturas do ci-toplasma dos procariotos so: uma rea nuclear (contendo DNA), as partculas denominadas ribossomos e os depsitos de reserva denominados incluses. Protenas filamentosas no citoplasma so diretamente responsveis pela forma helicoidal e de bastonete da clula bacteriana.

O citoplasma procaritico no possui certas caractersticas do citoplasma eucaritico, como um citoesqueleto e correntes citoplasmticas. Essas caractersticas sero descritas posterior-mente.

O nucleoideO nucleoide de uma clula bacteriana (veja a Figura 4.6) normal-mente contm uma nica molcula longa e contnua de DNA de fita dupla, com frequncia arranjada de forma circular, denomi-nada cromossomo bacteriano. Essa a informao gentica da clula, que carrega todos os dados necessrios para as estruturas e as funes celulares. Ao contrrio dos cromossomos das clulas eucariticas, os cromossomos bacterianos no so circundados por um envelope nuclear (membrana) e no incluem histonas. O nucleoide pode ser esfrico, alongado ou em forma de halteres. Em bactrias que esto crescendo ativamente, at 20% do volume celular so ocupados pelo DNA, pois essas clulas pr-sintetizam o material nuclear para as clulas futuras. O cromossomo est fi-xado membrana plasmtica. Acredita-se que protenas na mem-

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Microbiologia 95

brana plasmtica sejam responsveis pela replicao do DNA e pela segregao dos novos cromossomos para as clulas-filhas, na diviso celular.

Alm do cromossomo bacteriano, as bactrias frequente-mente contm pequenas molculas de DNA de fita dupla, circu-lares, denominadas plasmdeos (veja o fator F na Figura 8.27a, pgina 238). Essas molculas so elementos genticos extracro-mossmicos; isto , elas no esto conectadas ao cromossomo bacteriano principal e se replicam independentemente do DNA cromossmico. As pesquisas indicam que os plasmdeos esto associados s protenas da membrana plasmtica. Eles normal-mente contm de 5 a 100 genes que geralmente no so cruciais para a sobrevivncia da bactria em condies ambientais nor-mais; os plasmdeos podem ser adquiridos ou perdidos sem cau-sar dano clula. Sob certas condies, entretanto, eles so uma vantagem para as clulas. Os plasmdeos podem transportar ge-nes para atividades como resistncia aos antibiticos, tolerncia a metais txicos, produo de toxinas e sntese de enzimas. Eles podem ser transferidos de uma bactria para outra. Na verdade, o DNA plasmidial utilizado para a manipulao gentica em biotecnologia.

RibossomosTodas as clulas eucariticas e procariticas contm ribossomos, que funcionam como locais de sntese proteica. As clulas com altas taxas de sntese proteica, como aquelas que esto crescendo ativa-mente, possuem grande nmero de ribossomos. O citoplasma de uma clula procaritica contm dezenas de milhares destas estru-turas muito pequenas, que do ao citoplasma um aspecto granular (veja a Figura 4.6).

Os ribossomos so compostos de duas subunidades, cada qual consistindo de protena e de um tipo de RNA denominado RNA ribossmico (rRNA). Os ribossomos procariticos diferem dos ri-bossomos eucariticos no nmero de protenas e de molculas de rRNA que eles contm; eles tambm so um pouco menores e me-nos densos que os ribossomos das clulas eucariticas. Por isso, os ribossomos procariticos so denominados ribossomos 70S (Figura 4.19), e aqueles das clulas eucariticas so conhecidos como ribos-somos 80S. A letra S refere-se s unidades Svedberg, que indicam a velocidade relativa de sedimentao durante a centrifugao em alta velocidade. A velocidade de sedimentao uma funo do tamanho, do peso e da forma de uma partcula. As subunidades de um ribossomo 70S so uma pequena subunidade 30S, contendo uma molcula de rRNA, e uma subunidade maior 50S, contendo duas molculas de rRNA.

Vrios antibiticos atuam inibindo a sntese proteica nos ri-bossomos procariticos. Antibiticos como a estreptomicina e a gentamicina fixam-se subunidade 30S e interferem com a sntese proteica. Outros antibiticos, como a eritromicina e o cloranfeni-col, interferem na sntese proteica pela fixao subunidade 50S. Devido s diferenas nos ribossomos procariticos e eucariticos, a clula microbiana pode ser morta pelo antibitico enquanto a clu-la do hospedeiro eucaritico permanece intacta.

InclusesDentro do citoplasma das clulas procariticas, h vrios tipos de depsitos de reserva, conhecidos como incluses. As clulas podem acumular certos nutrientes quando eles so abundantes e us-los quando esto escassos no ambiente. Evidncias sugerem que macro-molculas concentradas nas incluses evitam o aumento da presso osmtica que ocorreria se as molculas estivessem dispersas no ci-toplasma. Algumas incluses so comuns a uma ampla variedade de bactrias, enquanto outras so limitadas a um nmero pequeno de espcies, servindo assim como base para a identificao.

Grnulos metacromticos

Os grnulos metacromticos so grandes incluses que recebem seu nome pelo fato de que, algumas vezes, coram-se de vermelho com certos corantes azuis como o azul de metileno. Coletivamen-te, eles so conhecidos como volutina. A volutina representa uma reserva de fosfato inorgnico (polifosfato) que pode ser usada na sntese de ATP, geralmente sendo formada pelas clulas que cres-cem em ambientes ricos em fosfato. Os grnulos metacromticos so encontrados em algas, fungos e protozorios, bem como em bactrias. Esses grnulos so caractersticos do Corynebacterium diphtheriae, agente causador da difteria; assim, eles possuem im-portncia diagnstica.

Grnulos polissacardicos

As incluses conhecidas como grnulos polissacardicos so ca-racteristicamente compostas de glicognio e amido, e sua presena pode ser demonstrada quando iodo aplicado s clulas. Na pre-sena de iodo, os grnulos de glicognio ficam de cor marrom--avermelhada, e os grnulos de amido ficam azuis.

Incluses lipdicas

As incluses lipdicas aparecem em vrias espcies de Mycobacterium, Bacillus, Azotobacter, Spirillum e outros gneros. Um material comum de armazenamento de lipdeos, exclusivo das bactrias, o polmero cido poli--hidroxibutrico. As incluses lipdicas so reveladas pela colorao das clulas com corantes solveis em gordura, como os co-rantes de Sudo.

(a) Subunidade menor (b) Subunidade maior (c) Ribossomocompleto 70S

50S

50 S

30S 30 S+

Figura 4.19 O ribossomo procaritico. (a) Uma subunidade menor 30S e (b) uma subunidade maior 50S compem (c) o ribossomo procaritico

completo 70S.

P Qual a importncia das diferenas entre os ribossomos procariticos e eucariticos, em relao antibioticoterapia?

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Grnulos de enxofre

Certas bactrias por exemplo, as bactrias do enxofre que per-tencem ao gnero Thiobacillus obtm energia oxidando o enxofre e compostos contendo enxofre. Essas bactrias podem armazenar grnulos de enxofre na clula, onde eles servem como reserva de energia.

Carboxissomos

Os carboxissomos so incluses que contm a enzima ribulo-se-1,5-difosfato-carboxilase. As bactrias que usam dixido de car-bono como sua nica fonte de carbono requerem essa enzima para a fixao do dixido de carbono durante a fotossntese. Entre as bactrias contendo carboxissomos esto as bactrias nitrificantes, as cianobactrias e os tiobacilos.

Vacolos de gs

Cavidades ocas encontradas em muitos procariotos aquticos, in-cluindo as cianobactrias, as bactrias fotossintticas anoxignicas e as halobactrias, so denominadas vacolos de gs. Cada vacolo consiste em fileiras de vrias vesculas de gs individuais, que so cilindros ocos recobertos por protena. Os vacolos de gs mantm a flutuao, para que as clulas possam permanecer na profundi-dade apropriada de gua para receberem quantidades suficientes de oxignio, luz e nutrientes.

Magnetossomos

Os magnetossomos so incluses de xido de ferro (Fe3O4), forma-das por vrias bactrias gram-negativas como o Magnetospirillum magnetotacticum, que agem como ms (Figura 4.20). As bactrias podem usar os magnetossomos para se mover para baixo at atingir um local de fixao aceitvel. In vitro, os magnetossomos podem

decompor o perxido de hidrognio, que se forma nas clulas em presena de oxignio. Os pesquisadores especulam que os magne-tossomos podem proteger a clula contra o acmulo de perxido de hidrognio.

EndosporosQuando os nutrientes essenciais se esgotam, certas bactrias gram-positivas como as dos gneros Clostridium e Bacillus for-mam clulas especializadas de repouso, denominadas endos-poros (Figura 4.21). Como voc ver mais adiante, alguns mem-bros do gnero Clostridium causam doenas como a gangrena, o ttano, o botulismo e a intoxicao alimentar. Alguns membros do gnero Bacillus causam o antraz (carbnculo) e a intoxicao alimentar. Exclusivos das bactrias, os endosporos so clulas de-sidratadas altamente durveis, com paredes espessas e camadas adicionais. Eles so formados dentro da membrana celular bac-teriana.

Quando liberados no ambiente, podem sobreviver a tempe-raturas extremas, falta de gua e exposio a muitas substncias qumicas txicas e radiao. Por exemplo, endosporos de 7.500 anos de Thermoactinomyces vulgaris do lodo congelado do Lago Elk, no estado norte-americano de Minnesota, germinaram quando reaquecidos e colocados em um meio nutriente. Foi re-latado tambm que endosporos com idade entre 25 a 40 milhes de anos, encontrados no intestino de uma abelha sem ferro, aprisionada em mbar (resina de rvore endurecida) na Repbli-ca Dominicana, teriam germinado quando colocados em meio nutriente. Embora os endosporos verdadeiros sejam encontra-dos em bactrias gram-positivas, uma espcie gram-negativa, Coxiella burnetii, o agente causador da febre Q, forma estruturas semelhantes a endosporos que resistem ao calor e a substncias qumicas e podem ser coradas com corantes para endosporos (veja a Figura 24.14, pgina 690).

O processo de formao do endosporo dentro de uma clula vegetativa leva vrias horas e conhecido como esporulao ou esporognese (Figura 4.21a). Clulas vegetativas de bactrias que formam endosporos iniciam a esporulao quando um nutriente--chave, como uma fonte de carbono ou nitrognio, torna-se escas-sa ou indisponvel. No primeiro estgio observvel da esporula-o, um cromossomo bacteriano recm-replicado e uma pequena poro de citoplasma so isolados por uma invaginao da mem-brana plasmtica, denominada septo do esporo. O septo do esporo torna-se uma membrana dupla que circunda o cromossomo e o citoplasma. Essa estrutura, inteiramente fechada dentro da clula original, denominada pr-esporo. Camadas espessas de peptide-oglicana so dispostas entre as duas lminas da membrana. Ento, uma espessa capa de protena se forma em torno de toda a mem-brana externa. Esse revestimento responsvel pela resistncia dos endosporos a muitas substncias qumicas agressivas. A clula original degrada, e o endosporo liberado.

O dimetro do endosporo pode ser o mesmo, menor ou maior que o dimetro da clula vegetativa. Dependendo da espcie, o endosporo pode ser terminal (em uma extremidade), subterminal (prximo a uma extremidade; Figura 4.21b) ou central, dentro da clula vegetativa. Quando o endosporo amadurece, a parede celu-

Magnetossomos

0,5 mMET

Figura 4.20 Magnetossomos. Essa micrografia do Magnetospirilllum magnetotacticum mostra uma cadeia de magnetossomos. A membrana externa

da parede gram-negativa tambm visvel.

P Qual a funo dos magnetossomos?

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Microbiologia 97

lar vegetativa se rompe (lise), matando a clula, e o endosporo liberado.

A maior parte da gua presente no citoplasma do pr-esporo eliminada no momento em que a esporulao est completa, e os endosporos no realizam reaes metablicas. O cerne al-tamente desidratado do endosporo contm somente DNA, pe-quenas quantidades de RNA, ribossomos, enzimas e algumas molculas pequenas importantes. Essas ltimas incluem uma quantidade notavelmente grande de um cido orgnico deno-minado cido dipicolnico (encontrado no citoplasma) que acompanhado por grande nmero de ons de clcio. Esses com-ponentes celulares so essenciais para retomar posteriormente o metabolismo.

Os endosporos podem permanecer dormentes por milhares de anos. Um endosporo retorna ao seu estado vegetativo por um pro-

cesso denominado germinao. A germinao ativada por uma leso fsica ou qumica no revestimento do endosporo. Ento, as enzimas do endosporo rompem as camadas extras que o circun-dam, a gua entra, e o metabolismo recomea. Como uma clu-la vegetativa forma um nico endosporo que, aps a germinao, permanece uma clula nica, a esporulao na bactria no um meio de reproduo. Esse processo no aumenta o nmero de clu-las. Os endosporos bacterianos diferem dos esporos formados por actinomicetos (procariotos) e fungos eucariotos e algas, os quais se destacam da clula parental e desenvolvem um outro organismo, o que representa uma reproduo.

Os endosporos so importantes do ponto de vista clnico e para a indstria alimentcia, pois so resistentes a processos que nor-malmente matam as clulas vegetativas. Esses processos incluem o aquecimento, o congelamento, a dessecao, o uso de substncias

Parede celular

Membranaplasmtica

Cromossomobacteriano (DNA)

Citoplasma O septo do esporo comea a isolaro DNA recm-replicado e umapequena poro de citoplasma.

(a) Esporulao, o processo de formao do endosporo.

(b) Um endosporo no Bacillus anthracis.

A membrana plasmtica comea acircundar o DNA, o citoplasma e amembrana isolados na etapa .

A camada de peptideoglicana se forma entreas duas membranas.

A capa do esporo se forma.

1 2

3

4

5O endosporo liberadoda clula.

6

O septo do esporo circunda a poro isoladado pr-esporo em formao.

Duas membranas

1 m

Endosporo

MET

1

Figura 4.21 Formao do endosporo por esporulao.

P Sob que condies os endosporos so formados pelas bactrias?

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qumicas e a radiao. Enquanto a maioria das clulas vegetativas morta por temperaturas acima de 70C, os endosporos podem so-breviver em gua fervente por vrias horas ou mais. Os endosporos de bactria termoflicas (que apreciam o calor) podem sobreviver na gua fervente por 19 horas. As bactrias formadoras de endos-poros so um problema para a indstria de alimentos, pois podem sobreviver ao subprocessamento e, se ocorrerem condies para o crescimento, algumas espcies produziro toxinas e doena. Mto-dos especiais para controlar os organismos que produzem endos-poros so discutidos no Captulo 7.

TESTE SEU CONHECIMENTO

3 Onde o DNA est localizado na clula procaritica? 4-10

3 Qual a funo geral das incluses? 4-11

3 Sob que condies os endosporos so formados? 4-12

* * *

Aps termos examinado a anatomia funcional da clula proca-ritica, veremos agora a anatomia funcional da clula eucaritica.

A CLULA EUCARITICA Como mencionado anteriormente, os organismos eucariticos incluem as algas, os protozorios, os fungos, as plantas e os ani-mais. A clula eucaritica tipicamente maior e mais comple-xa do ponto de vista estrutural que a clula procaritica (Figura 4.22). Quando a estrutura da clula procaritica na Figura 4.6 comparada com a da clula eucaritica, as diferenas entre os dois tipos de clulas tornam-se aparentes. As principais diferen-as entre as clulas procariticas e eucariticas so resumidas na Tabela 4.2, pgina 101.

A seguinte discusso das clulas eucariticas acompanhar em paralelo nossa discusso das clulas procariticas, iniciando com as estruturas que se estendem para fora da clula.

Flagelos e cliosOBJETIVO DO APRENDIZADO

4-13 Diferenciar os flagelos procariticos e eucariticos.

Muitos tipos de clulas eucariticas possuem projees que so usadas para a locomoo celular ou para mover substncias ao longo da superfcie celular. Essas projees contm citoplasma e so revestidas por membrana plasmtica. Se as projees so pou-cas e longas em relao ao tamanho da clula, so denominadas flagelos. Se as projees so numerosas e curtas, so denomina-das clios.

As algas do gnero Euglena usam um flagelo para a locomo-o, enquanto os protozorios, como o Tetrahymena, usam clios para a locomoo (Figura 4.23a e b). Os flagelos e os clios esto ancorados membrana plasmtica por um corpo basal e consistem em nove pares (parelhas) de microtbulos arranjados em um anel, mais outros dois microtbulos isolados no centro do anel, em um arranjo denominado arranjo 9 + 2 (Figura 4.23c). Os microtbulos so tubos longos ocos, compostos de uma protena denominada tu-bulina. Um flagelo procaritico gira, mas um flagelo eucaritico se move de forma ondulante (Figura 4.23d). Para ajudar a manter os materiais estranhos fora dos pulmes, as clulas ciliadas do sistema respiratrio humano movem os materiais ao longo da superfcie das clulas nos tubos brnquicos e traqueia, em direo garganta e boca (veja a Figura 16.4, pgina 452).

A parede celular e o glicocliceOBJETIVO DO APRENDIZADO

4-14 Comparar e contrastar a parede celular e o glicoclice de clulas procariticas e eucariticas.

A maioria das clulas eucariticas possui paredes celulares, embora elas geralmente sejam muito mais simples que as das clulas procariticas. Muitas algas possuem paredes celulares consistindo do polissacardeo celulose (como todas as plantas); outras substncias qumicas tambm podem estar presentes. As paredes celulares de alguns fungos tambm contm celulose, mas, na maioria dos fungos, o principal componente estrutu-ral da parede celular o polissacardeo quitina, um polmero de unidades de N-acetilglicosamina (NAG). (A quitina tambm o principal componente estrutural do exoesqueleto dos crustceos e insetos.) As paredes celulares das leveduras contm os polis-sacardeos glicana e manana. Em eucariotos que no possuem parede celular, a membrana plasmtica pode ser o revestimento externo; contudo, as clulas que tm contato direto com o am-biente podem ter revestimentos fora da membrana plasmtica. Os protozorios no possuem uma parede celular tpica; em vez disso, eles tm uma protena externa de revestimento flexvel de-nominada pelcula.

Em outras clulas eucariticas, incluindo as clulas animais, a membrana plasmtica coberta por um glicoclice, uma cama-da de material contendo quantidades substanciais de carboidra-tos adesivos. Alguns desses carboidratos so ligados covalente-mente a protenas e lipdeos na membrana plasmtica, formando glicoprotenas e glicolipdeos que ancoram o glicoclice clula. O glicoclice refora a superfcie celular, auxilia a unio das clu-las umas s outras e pode contribuir para o reconhecimento entre as clulas.

As clulas eucariticas no contm peptideoglicana, a estrutura da parede celular procaritica. Isso significa-

tivo clinicamente, pois os antibiticos como as penicilinas e as cefa-losporinas atuam contra a peptideoglicana, no afetando as clulas eucariticas humanas.

P&R

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Microbiologia 99

CLULA VEGETAL

Ribossomo

Cloroplasto

Citoplasma

Microfilamento

Complexo de Golgi

Mitocndria

Microtbulo

Vacolo

Nuclolo

Ncleo

Membrana plasmtica

Retculoendoplasmticorugoso

Retculoendoplasmtico liso

Parede celular

CLULA ANIMAL

Ribossomo

Lisossomo

Citoplasma

Complexo de Golgi

Mitocndria

Microtbulo

Nuclolo

Ncleo

Membrana plasmtica

Retculo endoplasmticorugoso

Centrossomo:CentroloMaterial pericentriolar

Retculo endoplasmticoliso

Microfilamento

Peroxissomo

Peroxissomo

Corpo basal

Flagelo

(b) Micrografias eletrnicas de transmissode uma clula vegetal e uma clula animal.

Clula de alga(Tribonema vulgare)

Clula animal, umplasmcito secretorde anticorpos

(a) Diagrama altamente esquemtico da composio de umaclula eucaritica, metade planta e metade animal.

Mitocndria

Citoplasma

Nuclolo

Ncleo

Membrana plasmtica

Retculo endoplasmticorugoso

Lisossomo

Cloroplasto

Mitocndria

Ncleo

Complexo de Golgi

Parede celular

Vacolo

Peroxissomo

3 mMET

1 mMET

Figura 4.22 Clulas eucariticas mostrando estruturas tpicas.

P Que reinos contm os organismos eucariticos?

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100 Tortora, Funke & Case

A membrana plasmtica (citoplasmtica)

OBJETIVO DO APRENDIZADO

4-15 Comparar e contrastar as membranas plasmticas de procar