T01 - Introdução à Bacteriologia PDF

T01 – INTRODUÇÃO À BACTERIOLOGIA 1) MORFOLOGIA E ESTRUTURA BACTERIANA 1.1) CONSTITUINTES BÁSICOS DAS BACTÉRIAS  As bactérias são seres procariotas, formados por vários constituintes básicos, nomeadamente: ▪ Nucleoide: formado por uma molécula de DNA circular (não existe separação entre o m...

T01 – INTRODUÇÃO À BACTERIOLOGIA 1) MORFOLOGIA E ESTRUTURA BACTERIANA 1.1) CONSTITUINTES BÁSICOS DAS BACTÉRIAS  As bactérias são seres procariotas, formados por vários constituintes básicos, nomeadamente: ▪ Nucleoide: formado por uma molécula de DNA circular (não existe separação entre o material genético e o citoplasma por uma membrana nuclear, o que torna as bactérias mais suscetíveis a agentes mutagénicos). ▪ Plasmídeos: elementos geralmente extracromossómicos (que podem ser integrados no cromossoma bacteriano) que codificam informação genética complementar (por exemplo, genes de resistência a antibióticos). ▪ RNA: mensageiro, ribossómico e de transferência. ▪ Ribossomas: 70S (ligeiramente menores que os ribossomas eucariontes). ▪ Proteínas: incluindo enzimas que participam no metabolismo de substratos energéticos e na modificação ou degradação de antibióticos. ▪ Inclusões Citoplasmáticas: podem conter nutrientes (algumas inclusões verificadas no passado foram reclassificadas como artefactos das técnicas de coloração). ▪ Membrana Citoplasmática: principal órgão metabólico da bactéria. ▪ Mesossomas: dobras ou invaginações da membrana citoplasmática que correspondem a artefactos criados pela técnica de fixação usada em microscopia eletrónica – as células procarióticas são mais difíceis de visualizar por microscopia eletrónica. ▪ Parede Celular: presente em quase todas as bactérias ▪ Cápsula: polissacarídica ou polipeptídica (pode ou não existir, dependendo da bactéria). ▪ Flagelo: projeção de natureza proteica importante para conferir mobilidade às bactérias (não é uma estrutura bacteriana constante). ▪ Pili: pequenas projeções proteicas importantes para a adesão das bactérias a determinadas superfícies (bióticas ou abióticas).  Contrariamente aos seres eucariotas, as bactérias não possuem organelos membranares, tais como retículo endoplasmático, complexo de Golgi, mitocôndrias/cloroplastos, lisossomas/peroxissomas. 4 1.2) CLASSIFICAÇÃO MORFOLÓGICA DAS BACTÉRIAS  Morfologia Bacteriana: as bactérias apresentam diferentes formas, nomeadamente, cocos, bacilos, cocobacilos, bacilos fusiformes, vibrio, espirilas, espiroquetas, ou bacilos ramificados. É, também, importante o modo de disposição das próprias bactérias (por exemplo, alguns cocos apresentam-se em grupos de dois, passando a ser denominados diplococos). 5 1.3) ESTRUTURAS CITOPLASMÁTICAS  Nucleoide: área onde se condensa o cromossoma bacteriano (este cromossoma difere do cromossoma eucarionte, visto que não possui histonas como proteínas de manutenção da conformação do DNA).  Plasmídeos: elementos extracromossómicos (quando não integrados no genoma) ou intracromossómicos (quando integrados no genoma), que conferem determinadas propriedades às bactérias, nomeadamente a capacidade de resistência a alguns antibióticos.  Ribossomas: consistem em subunidades 30S (pequena) e 50S (grande), formando ribossomas 70S, contrariamente aos ribossomas eucariontes (que são 80S). 1.4) INVÓLUCRO BACTERIANO  Membrana Citoplasmática: possui uma estrutura lipídica semelhante à das membranas eucariontes, mas não possui esteróis, como o colesterol (a exceção a esta regra é a Mycoplasma) e possui maior quantidade de fosfatidilglicerol e fosfatidiletanolamina (fosfolípidos). A membrana citoplasmática tem como funções: ▪ Transporte de eletrões e produção de energia (fosforilação oxidativa); ▪ Permeabilidade e transporte (possui proteínas transportadoras que permite a entrada/saída de metabolitos); ▪ Excreção de endotoxinas ou exotoxinas, bem como outras enzimas ou proteínas; ▪ Biossíntese (contribui para a formação dos componentes da parede celular bacteriana); ▪ Quimiotaxia (papel na resposta imune do organismo que está a ser agredido); ▪ Manutenção da forma da bactéria (com recurso a filamentos proteicos semelhantes aos filamentos de actina dos eucariotas); ▪ Auxílio na reprodução (definição do local de formação do septo que dividirá a bactéria em duas células- filhas).  Parede Celular: a estrutura, os componentes e as funções da parede celular distinguem as bactérias Gram positivo das bactérias gram-negativas (ver “P01 – EXAME MICROSCÓPICO DE PRODUTOS BIOLÓGICOS”). As principais diferenças entre estes dois grupos de bactérias estão listadas na tabela seguinte. Na maioria dos procariotas, a membrana citoplasmática está rodeada por peptidoglicano (mureína), com exceção dos organismos Archea (possuem pseudoglicanos e pseudomureínas) e Mycoplasma (não 6  possuem peptidoglicano). Uma vez que o peptidoglicano auxilia no fornecimento de rigidez, também ajuda a determinar a forma de determinada bactéria.  Bactérias Gram-Positivas: possuem uma parede celular espessa, com múltiplas camadas constituídas principalmente por peptidoglicano, que rodeiam a membrana citoplasmática. A remoção da parede celular de uma bactéria gram-positiva origina um protoplasto que sofre lise, a não ser que esteja estabilizado. ▪ Peptidoglicano (Mureína): assemelha-se ao exosqueleto de um inseto, mas é suficientemente poroso para permitir a difusão de metabolitos para a membrana plasmática. O glicano estende-se para fora da membrana plasmática como “pelos” cruzados com cadeias peptídicas curtas (em cross-link). É um composto essencial para a estrutura, a replicação e a sobrevivência em condições hostis. O peptidoglicano pode ser degradado pela lisozima; sem o peptidoglicano, a bactéria fica exposta a diferenças de pressão osmótica que conduzem à sua lise. 7  ▪ Ácido Teicoico: polímero aniónico hidrossolúvel que se liga covalentemente ao peptidoglicano, sendo essencial para a viabilidade da célula. É um importante fator de virulência. ▪ Ácido Lipoteicoico: possui um ácido gordo e está ancorado aos glicolípidos da membrana citoplasmática; constitui um antigénio de superfície que permite distinguir serótipos bacterianos e promover a adesão a outras bactérias ou a recetores específicos das células dos hospedeiros. Contribui para a iniciação da resposta inata do hospedeiro, através da ligação a PPRs (Pathogen Pattern Receptors).  Bactérias Gram-Negativas: têm uma parede celular mais complexa do que as bactérias gram-positivas, quer estrutural quer quimicamente. Estruturalmente, contém duas camadas externas à membrana citoplasmática. Imediatamente externa à membrana citoplasmática encontra-se uma fina camada de peptidoglicano (5-10% do peso molecular da parede). Não existem ácidos teicoico e lipoteicoico na parede celular das bactérias gram-negativas. ▪ Membrana Externa: encontra-se externamente à camada de peptidoglicano (e é exclusiva de bactérias gram-negativas). Mantém a estrutura bacteriana e constitui uma barreira de permeabilidade contra moléculas de grandes dimensões (ex: lisozima) e moléculas hidrofóbicas (alguns antimicrobianos). Também confere proteção face a condições ambientais adversas (ex: sistema digestivo do hospedeiro). Esta membrana possui uma estrutura em bicamada assimétrica, que difere de qualquer membrana biológica. O folheto interno contém fosfolípidos, enquanto o folheto externo contém lipopolissacarídeo (LPS). A disrupção da membrana externa conduz à formação de esferoplastos (sensíveis à pressão osmótica), devido à entrada de lisozima. ▪ Espaço Periplasmático: área localizada entre a face externa da membrana citoplasmática e a face interna da membrana externa. Consiste num compartimento que contém sistemas de transporte para o ferro, proteínas, açúcares e outros metabolitos, bem como uma variedade de enzimas hidrolíticas (proteases, 8  fosfátases, lípases, nucleases e enzimas degradadoras de hidratos de carbono) que são importantes para o metabolismo da célula. Este espaço também contém, no caso das bactérias patogénicas, vários fatores de virulência (hialuronídases, proteases e β-lactamases). ▪ Lipopolissacarídeo: principal constituinte do folheto externo da membrana externa de bactérias gram- negativas (único local onde esta molécula pode ser encontrada, além dos seus locais de síntese). Também é designado por endotoxina (é um poderoso estimulador da resposta imune). A bactéria liberta o LPS e este liga-se aos PRRs (Pathogen Pattern Receptors), ativando células B e induzindo em macrófagos e células dendríticas a libertação de interleucinas e TNF (Tumor Necrosis Factor). O LPS é constituído por: ▫ Antigénio O: está ligado ao core e estende-se na direção oposta à da bactéria. Consiste num longo polissacarídeo linear. Permite distinguir estirpes bacterianas de uma determinada espécie. ▫ Core: polissacarídeo ramificado constituído por 9-12 açúcares. ▫ Lipídeo A: componente básico do lipopolissacarídeo, essencial para a viabilidade bacteriana. É responsável pela atividade de endotoxina do LPS. ▪ Lipoproteína: conecta a membrana externa ao peptidoglicano (está covalentemente ligada ao peptidoglicano e ancorada à membrana externa). 9   Micobactérias: possuem uma parede celular diferente das anteriormente descritas. Embora ultraestruturalmente semelhante à parede das bactérias gram-negativas, esta possui uma camada de lípidos de elevado peso molecular (ácidos micólicos), que não coram pela coloração gram. Estas bactérias coram pelo método de Ziehl-Neelsen (ver “P01 – EXAME MICROSCÓPICO DE PRODUTOS BIOLÓGICOS”), sendo denominadas bactérias álcool-ácido resistentes. 1.5) ESTRUTURAS EXTERNAS  Cápsula: camada polissacarídica (na maioria das bactérias) ou polipeptídica (em Bacillus anthracis) que reveste algumas bactérias. É desnecessária para o crescimento da bactéria, mas é muito importante na sua sobrevivência. Possui várias funções: ▪ Fator de Virulência: a cápsula possui poucos antigénios, pelo que é antifagocítica (apenas a opsonização permite que bactérias capsuladas sejam fagocitadas). ▪ Barreira: a cápsula funciona como barreira para moléculas hidrofóbicas tóxicas, como os detergentes. ▪ Adesão: a cápsula permite a facilitação do processo de adesão a outras bactérias ou a superfícies do organismo hospedeiro. ▪ Proteção: a cápsula é capaz de proteger a bactéria do processo de desidratação (uma vez que apresenta um elevado teor de água).  Slime-Layer, Glicocálice e S-Layer: ▪ Slime-Layer: camada formada por um mucopolissacarídeo difuso, externamente à parede celular bacteriana. Contrariamente à cápsula, apresenta menor organização, na medida em que apresenta diferentes espessuras em diferentes zonas da célula. Ainda assim, apresenta propriedades antifagocíticas (menos eficazes que as da cápsula), promove a adesão a superfícies abióticas (através da secreção de biofilmes) e protege contra a ação de alguns fármacos. ▪ Glicocálice: apresenta a mesma constituição que a Slime-Layer, mas com melhor organização (comparativamente à Slime-Layer). Ainda assim, não forma um contínuo em volta da bactéria. ▪ S-Layer: camada proteica muito fina que reveste a superfície de algumas bactérias (não possui organização suficiente para ser considerada uma cápsula).  Flagelos: projeções rope-like (tipo corda) compostas por subunidades proteicas curvadas de modo helicoidal (flagelina), ancoradas à membrana bacteriana através de um gancho e um corpo basal. ▪ A inserção do flagelo na membrana é diferente consoante a bactéria seja gram-positiva (um par de anéis inserido no corpo basal) ou gram-negativa (dois pares de anéis no corpo basal). 10  ▪ A principal função do flagelo é conferir motilidade à bactéria. Também constituem um meio de ativação da resposta inata no hospedeiro (podendo constituir um fator de virulência). ▪ Os flagelos podem ser visualizados em microscopia de luz (a técnica de Laisson acrescenta alguma espessura aos flagelos) ou em microscopia eletrónica. ▪ Conformação dos Flagelos: ▫ Monótrica (um flagelo polar); ▫ Anfítrica (um flagelo em cada polo da bactéria); ▫ Lofótrica (tufos ou grupos de flagelos num dos polos da bactéria); ▫ Perítrica (flagelos distribuídos em torno da bactéria).  Fímbrias (Pili): estruturas hair-like (tipo cabelo) localizadas no exterior da bactéria, que são compostas por subunidades proteicas (pilina). Distinguem-se dos flagelos por serem mais pequenas em diâmetro e não apresentam uma estrutura espiralada ou enrolada. Promovem a adesão entre bactérias para ocorrência do processo de mating – importante fator de virulência em infeções do trato urinário. 1.6) RESUMO: ESTRUTURAS BACTERIANAS 11 2) DIVISÃO CELULAR BACTERIANA  A replicação do cromossoma bacteriano (ver “T02 – Genética Bacteriana”) desencadeia a iniciação do processo de divisão celular.  O processo de divisão celular bacteriano ocorre por divisão binária (bipartição). A produção de duas bactérias- filha requer o crescimento e a extensão dos componentes da parede celular, seguida da produção de um septo (que faz a divisão propriamente dita das duas células-filhas). A formação deste septo inicia-se na zona média da célula, num local definido por complexos proteicos específicos, e o seu crescimento ocorre em direção ao centro. 3) ESPOROS BACTERIANOS 3.1) ESTRUTURA DOS ESPOROS  Esporo: estrutura desidratada produzida por bactérias gram-positivas, que protegem e permitem que a bactéria exista num estado dormente. Contêm uma cópia completa do cromossoma bacteriano, concentrações mínimas de ribossomas e proteínas e uma elevada concentração de cálcio ligado a ácido dipicolínico (podem conter inclusões de glicogénio, como substância de reserva para sobrevivência). Os esporos formam-se aquando de condições adversas, como a falta de nutrientes, a desidratação do meio e 12  alterações térmicas (não muito súbitas). As células bacterianas possuem sensores que lhes permitem avaliar as condições do meio e, assim, “decidir” se devem ou não formar esporos. O esporo não é uma estrutura reprodutora.  Estrutura dos Esporos: ▪ Core: protoblasto do esporo, que contém uma cópia do DNA cromossómico e os restantes elementos citoplasmáticos da bactéria (ribossomas, enzimas…); estrutura metabolicamente inativa que ocupa a zona central do esporo. ▪ Membrana Interna: reveste o core (“núcleo”) do esporo. ▪ Parede: camada formada por peptidoglicano que dará origem à parede celular da futura célula vegetativa. ▪ Córtex: camada mais espessa constituída por peptidoglicano com menor quantidade de ligações cruzadas (cross-links) ▪ Membrana Externa: reveste externamente o córtex do esporo bacteriano. ▪ Protein Coat (Revestimento Proteico): formado por uma proteína keratin-like (tipo queratina), que torna o esporo impermeável e lhe confere uma resistência relativa aos antibióticos. ▪ Exósporo: membrana lipoproteica que contém hidratos de carbono.  Termorresistência: característica dos esporos bacteriano, conferida por: ▪ Estabilização do DNA devida à presença de complexos de cálcio com ácido dipicolínico e proteínas solúveis; ▪ Desidratação do protoblasto (core); ▪ Presença do protein coat (revestimento proteico); ▪ Enzimas capazes de reparar o DNA; ▪ Grande estabilidade das proteínas celulares; ▪ Adaptação ao crescimento a elevadas temperaturas. 13 3.2) PROCESSO DE FORMAÇÃO DE ESPOROS  O processo de formação de esporos demora entre 6 a 8 horas, dependendo da bactéria, e envolve os seguintes passos: ▪ Transcrição de genes específicos para a formação de esporos e tradução dos mRNAs resultantes; ▪ Produção de ácido dipicolínico (e, por vezes, excreção de algumas toxinas); ▪ Duplicação do cromossoma proteico e seu envolvimento pelas várias camadas que constituem um esporo; ▪ Libertação do esporo no meio ambiente.  Germinação do Esporo: é estimulada pela disrupção do revestimento externo por stress mecânico, pH, calor ou outro estímulo indutor de stress; este processo requer a presença de água e de um nutriente, demorando cerca de 90 minutos. Após a iniciação deste processo, o esporo adquire água, dilata, perde o seu revestimento original e produz uma nova célula vegetativa idêntica à célula vegetativa original, completando o ciclo.  Bactérias Produtoras de Esporos: essencialmente, bacilos gram-positivos (exemplos: Bacillus anthracis, Clostridium tetani, Clostridium botulinum…). 14