Morfologia e ultraestrutura bacterianas

Morfologia: Tamanho, forma e arranjos bacterianos

As bactérias são extremamente variáveis quanto ao tamanho e formas que apresentam. Até recentemente acreditava-se que as menores bactérias apresentavam cerca de 0,3 µm (ex: Mycoplasma), entretanto, já existem relatos de células menores, denominadas nanobactérias ou ultramicrobactérias, com tamanhos variando de 0,2 a 0,05 µm de diâmetro, sendo algumas inclusive já cultivadas em laboratório. Há ainda controvérsias quanto a este grupo, pois vários autores acreditam ser meros artefatos.
Muitas bactérias medem de 2 a 6 µm de comprimento, por 1 a 2 µm de largura, mas certamente estes valores não podem ser definidos como absolutos, pois eventualmente encontramos bactérias de até 500 ou 800 µm, como no caso de Epulopiscium ou Thiomargarita.
Em relação às formas, a maioria das bactérias estudadas seguem um padrão menos variável, embora existam vários tipos morfológicos distintos. De maneira geral, as bactérias podem ser agrupadas em três tipos morfológicos gerais: cocos, bacilos e espiralados.

Os cocos correspondem a células arredondadas, podem se dividir sem um plano de orientação definido, o que leva a um grande número de arranjos diferentes. Assim temos os cocos isolados, diplococos (Neisseria, pneumococos), tetracocos, sarcinas (cubos contendo 8 células), estreptococos (cocos em cadeia) e estafilococos (cocos formando massas irregulares).

	Microscopia óptica, corada pelo método de Gram, de cocos em um arranjo denominado estafilococos.
	Microscopia eletrônica de varredura das células apresentadas acima.

	Microscopia óptica, corada pelo método de Gram, de cocos formando cadeias, um arranjo denominado estreptococos.
	Microscopia eletrônica de varredura das células apresentadas acima.

Os bacilos têm forma de bastonetes, podendo apresentar extremidades retas (Bacillus anthracis), arredondadas (Salmonella, E. coli), ou ainda afiladas (Fusobacterium). Como seu plano de divisão é fixo, ocorrendo sempre no menor eixo, os bacilos exibem uma menor variedade de arranjos, sendo via de regra encontrados isolados, como diplobacilos ou ainda como estreptobacilos. Há ainda um arranjo, denominado “em paliçada”, também denominado letras chinesas, que é típico do gênero Corynebacterium. Tal tipo de arranjo ocorre porque a parede celular desses organismos é dupla e no momento da divisão celular ocorre a ruptura de apenas uma das camadas, deixando as células unidas pela camada de parede que não se rompeu. Os bacilos podem ainda apresentar-se como pequenas vírgulas (Vibrio cholerae) ou em forma de meia lua (Selenomonas).

	Microscopia óptica, corada pelo método de Gram, de bacilos arranjados dois a dois (diplobacilos).
	Microscopia eletrônica de transmissão, de um bacilo em processo de divisão celular.

Espiralados: Sua nomenclatura é bastante controvertida ainda. Um tipo de classificação divide os espiralados em dois grupos, osespiroquetas, que apresentam uma forma de espiral flexível, possuindo flagelos periplasmáticos. O outro grupo são os espirilos, que exibem geralmente morfologia de espiral incompleta e rígidos.
Geralmente os espiralados são microrganismos bastante afilados, de difícil observação por microscopia de campo claro, sendo muitas vezes analisados por meio da microscopia de campo escuro, ou de técnicas de coloração empregando a impregnação por sais de prata.

	Microscopia óptica de fluorescência, de um organismo espiralado.
	Microscopia óptica, utilizando um procedimento de impreganção com sais de prata, revelando a bactéria causadora da sífilis, Treponema pallidum (observe os grandes neutrófilos próximos às bactérias)

Micrografias eletrônicas colorizadas de diferentes bactérias. No sentido horário: Enterococcus (cocos ovalados), Francisella (bacilos pequenos, com a região central abaulada), Fusobacterium (longos bacilos, geralmente com extremidades mais afiladas) e Neisseria gonorrhoeae (diplococos em forma de rins).
(Fotos obtidas de sites da internet)

Há ainda formas intermediárias como os cocobacilos; formas pleomórficas (quando o microrganismo não tem uma morfologia padrão), tal como Mycoplasma; ou ainda formas de involução, originadas quando o meio encontra-se desfavorável ao desenvolvimento. Nesses casos, como o organismo deixa de realizar os processos metabólicos (nutrição e divisão celular) adequadamente, este sofre alterações morfológicas.
Há também bactérias apresentando apêndices, tais como extensões celulares na forma de longos tubos ou hastes (prostecas) (Rhodomicrobium vannielii). Além destas bactérias, estudos vêm revelando a ocorrência de bactérias com formas bastante peculiares, tais como células estreladas ou retangulares.

bactéria com morfologia retangular	bactéria com morfologia semelhante a uma estrela
(Adaptado de Tortora et al., Microbiologia, 1998)

Bactéria pedunculada
(Adaptado de Madigan et al., Brock Biology of Microorganisms, 2003)

Ultraestrutra Bacteriana

A ultraestrutura bacteriana começou a ser estudada em maiores detalhes nas décadas de 50 e 60, a partir do melhoramento das técnicas de microscopia eletrônica. Os procedimentos adotados incluíam a lise celular, seguida de centrifugação para promover a separação dos vários componentes subcelulares, que podiam agora ser purificados e analisados bioquimicamente.

Parede Celular - Estrutura presente na maioria das bactérias conhecidas, exceto em micoplasmas e algumas Archaea, que não a possuem.
Corresponde a uma das estruturas mais importantes nas células bacterianas, estando localizada na porção mais externa, acima da membrana citoplasmática. Devido à sua grande rigidez, a parede celular é responsável pela manutenção da forma do microrganismo. Como o ambiente intracelular é bastante concentrado em relação ao meio externo, (variando de 2 a até 10 atm), a parede atua como uma barreira física rígida, que mantém a forma celular, impedindo que a célula estoure em decorrência do grande turgor. Além disso, a parede celular atua como uma barreira de proteção contra determinados agentes físicos e químicos externos, tais como o choque osmótico. A parede pode ainda desempenhar importante papel em microrganismos patogênicos, em decorrência de presença de componentes que favorecem sua patogenicidade, tais como antígenos ou moléculas envolvidas no reconhecimento celular.
Em 1884, Christian Gram desenvolveu um método de coloração de bactérias que permitia sua separação em dois grupos distintos, as Gram positivas (que coravam-se em roxo) e as Gram negativas (que coravam-se em vermelho). A partir do advento da microscopia eletrônica e do aperfeiçoamento das técnicas de análise bioquímica dos diferentes componentes celulares, foi verificado que esta diferença entre as bactérias Gram positivas e Gram negativas era, provavelmente, devida às diferenças de composição e estrutura das paredes celulares.
Assim, quando observadas sob microscopia eletrônica de transmissão, as bactérias Gram positivas apresentam uma parede celular espessa (de 20 a 80 nm), de aspecto homogêneo, enquanto as células Gram negativas exibem uma parede mais delgada (de 9 a 20 nm) e de aspecto bastante complexo, aparentemente apresentando mais de uma camada. A microscopia eletrônica de varredura revelou outras diferenças entre estes dois grupos de organismos. As Gram positivas exibiam a superfície mais lisa e homogênea, enquanto as Gram negativas apresentavam-se com maior complexidade superficial.

Aspecto das paredes celulares de organismos Gram positivos e negativos
(Adaptado de Madigan et al., Brock Biology of Microorganisms, 2003)

Composição da parede celular

Peptideoglicano (mureína ou mucopeptídeo): Composto exclusivamente encontrado no domínio Bacteria, sendo o responsável pela rigidez da parede celular. O peptideoglicano corresponde a um enorme polímero complexo que, em bactérias Gram positivas pode formar até 20 camadas, enquanto em células Gram negativas está presente, formando apenas uma ou duas camadas.
O peptideoglicano corresponde a um esqueleto, formado por dois derivados de açúcares, a N-acetilglicosamina (NAG) e o ácido N-acetilmurâmico (NAM), unidos alternadamente, através de ligações do tipo ß-1,4. O grupo carboxil de cada molécula de NAM liga-se a um tetrapeptídeo, composto por aminoácidos que alternam-se nas configurações L e D. Destes aminoácidos, o D-glutamato, D-alanina e o ácido meso-diaminopimélico não são encontrados em qualquer outra proteína conhecida. Acredita-se que sua presença confira maior resistência da parede contra a maioria das peptidases.
Assim, em cada resíduo de NAM há um tetrapeptídeo associado. A enorme rigidez da da parede celular é resultante das ligações entre os tetrapeptídeos de cadeias adjacentes. Neste aspecto, há uma grande diferença entre as bactérias Gram positivas e negativas. Nas bactérias Gram negativas (Ala-Glu-DAP-Ala), a ligação entre os tetrapepídeos é direta, ocorrendo entre o grupamento amino do DAP subterminal (posição 3) e o grupamento carboxi da D-Ala terminal (posição 4). Já nas Gram positivas (Ala-Glu-Lys-Ala), a ligação é indireta, sendo mediada por uma ponte interpeptídica de natureza variável (cinco glicinas em S. aureus). A análise das figuras abaixo deixa clara a grande estruturação do peptídeoglicano, em virtude das inúmeras ligações cruzadas existentes ao longo da molécula. Assim, devido a esta complexa estruturação física, o peptideoglicano confere rigidez à parede, embora exiba certo grau de elasticidade e também porosidade.

peptideoglicano de células Gram positivas

peptideoglicano de células Gram negativas

Nas bactérias Gram positivas, cerca de 90% da parede celular é composta pelo peptídeoglicano, que geralmente forma cerca de 20 camadas. O restante da parede é composto essencialmente por ácido teicóico. Nas bactérias Gram negativas, apenas cerca de 10% da parede corresponde ao peptideoglicano, existindo geralmente como uma camada única ou dupla. Os demais componentes da parede celular de bactérias Gram negativas serão analisados posteriormente.

Esquema ilustrando o espesso peptideoglicano de bactérias Gram positivas
(Adaptado de Madigan et al., Brock Biology of Microorganisms, 2003)

Ácidos Teicóicos: Juntamente com peptideoglicano, os ácidos teicóicos compõem a parede celular das bactérias Gram positivas. Estes compostos, presentes em grandes quantidades, correspondem a polímeros de glicerol ou ribitol ligados a açúcares ou aminoácidos e conectados entre si por meio de grupamentos fosfato.
Os ácidos teicóicos associam-se ao peptideoglicano pela ligação do grupamento 6 hidroxil do ácido N-acetilmurâmico, podendo alternativamente associar-se aos lipídeos da membrana citoplasmática, quando passam a ser denominados de ácidos lipoteicóicos. Devido à sua carga negativa, os ácidos teicóicos contribuem com o caráter negativo da superfície celular de Gram positivas. Seu papel fisiológico é ainda desconhecido, mas especula-se que estes possam participar nos processos de passagem de íons pela parede, ou ligar-se a prótons, mantendo um pH celular relativamente baixo.
Em casos de escassez de fosfato, os ácidos teicóicos podem ser substituídos por ácidos teicurônicos, deixando assim os fosfatos livres para comporem ATP ou DNA, por exemplo.

Fórmula de um ácido teicóico, contendo ribitol
(Adaptado de Madigan et al., Brock Biology of Microorganisms, 2003)

O componente adicional da Parede Celular de Gram negativos

Membrana Externa: Esta, embora denominada "membrana"externa é um componente da parede celular, presente apenas nas bactérias Gram negativas. A membrana externa corresponde a uma segunda bicamada lipídica (semelhante à membrana plasmática), localizada acima do peptideoglicano, contendo fosfolipídeos, lipoproteínas, proteínas e também lipopolissacarídeos. Quando comparada à membrana citoplasmática, a membrana externa exibe maior permeabilidade a pequenas moléculas, tais como glicose ou outros monossacarídeos.
Sua face interna geralmente é rica em pequenas lipoproteínas (7,2 kDa), denominadas lipoproteínas de Braun, que ligam-se covalentemente ao peptideoglicano, ancorando firmemente a membrana externa à camada de peptideoglicano.
Estudos indicam que a membrana externa e a membrana citoplasmática mantém contato em algumas discretas regiões celulares, denominadas sítios de adesão. Acredita-se que estas regiões de junção podem conferir maior rigidez à parede celular das bactéria Gram negativas, além de fixar melhor a membrana externa, não deixando-a frouxa, associada somente ao peptideoglicano. Os sítio de adesão foram também denominados junções de Bayer e acredita-se que possam ser importantes locais de passagem de compostos citoplasmáticos, seja componentes envolvidos na síntese da membrana externa ou diferentes nutrientes.

Esquema da parede celular de organismos Gram negativos
(Adaptado de Madigan et al., Brock Biology of Microorganisms, 2003)

A face externa da membrana externa é rica em lipopolissacarídeos (LPS), inexistentes na membrana citoplasmática. Estes componentes são também denominados de endotoxina, uma vez que provocam febre, choque e eventualmente morte, quando injetados em animais. O LPS é uma molécula complexa, composta por 3 regiões distintas: lipídeo A, polissacarídeo central e cadeia polissacarídica lateral O, ou Antígeno O.

Esquema do lipopolissacarídeo, encontrado na face externa da membrana externa
(Adaptado de Madigan et al., Brock Biology of Microorganisms, 2003)

O lipídeo A corresponde à porção mais interna da molécula, ancorando o LPS à porção hidrofóbica da membrana externa. Este componente corresponde à porção tóxica do LPS e geralmente é composto por ácido esteárico, palmítico, mirístico, láurico ou capróico. Estes ácidos graxos estão ligados a um dissacarídeo de NAcGlicosamina-P. A porção polissacarídica localiza-se acima do lipídeo A, em direção ao exterior, sendo composta por duas regiões, o polissacarídeo central e polissacarídeo O, que é mais externo, de natureza repetitiva. Em Salmonella, o cerne é composto por 10 açúcares pouco usuais. Conectado ao cerne, há o Ag O, que geralmente é composto por 3 a 5 açúcares bastante peculiares e variáveis. A natureza destes açúcares pode ser modificada pelos microrganismos, resultando em um mecanismo de evasão do sistema imune. O LPS também confere carga nagativa à superfície celular.
O LPS se associa a proteínas, formando a face externa da unidade de membrana.
A membrana externa apresenta um grupo especializado de proteínas, denominadas genericamente de porinas, que atuam como canais para a passagem de pequenas moléculas hidrofílicas, participando assim do processo de nutrição. As porinas podem ser específicas, contendo sítios de ligação para 1 ou mais substratos, ou inespecíficas, compondo canais aquosos.
A maioria das porinas correspondem a proteínas transmembrânicas, com 3 subunidades idênticas, que formam orifícios de cerca de 1 nm, sendo que, aparentemente, possuem mecanismos para a abertura e fechamento. Para algumas substâncias, a membrana externa é mais restritiva.

Compostos que afetam a Integridade da Parede Celular
Ação da Lisozima na PC: Esta enzima, sintetizada por alguns organismos e por glândulas endócrinas do homem, age clivando as ligações do tipo b-1,4, presentes no peptideoglicano. Nas células Gram positivas, o tratamento com lisozima origina protoplastos (células sem parede celular), enquanto nas Gram negativas, a lisozima origina esferoplastos (células com resquícios de parede celular).

Ação da penicilina na PC: Este antibiótico impede a ligação dos tetrapeptídeos. A droga se liga irreversivelmente às PBPs, que são proteínas envolvidas no processo de biossíntese do peptideoglicano. Paralelamente, as autolisinas, que atuam em conjunto com a maquinaria de biossíntese, passam a degradar porções do peptideoglicano. Como a síntese está bloqueada, o resultado líquido é a formação de uma parede defeituosa.
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A Camada S
Algumas bactérias e várias Archaea apresentam uma camada de natureza protéica ou glicoprotéica estruturada (como um piso de tacos), denominada camada S. Esta camada, as bactérias, encontra-se acima da parede celular e até o momento, suas funções não se encontram totalmente esclarecidas. Acredita-se que esta camada proteja a célula contra flutuações osmóticas, de pH e íons, além de auxiliar na manutenção da rigidez da parede. Alguns autores especulam que a camada S pode mediar a ligação dos orgnaismos a superfícies.

fonte: http://vsites.unb.br/ib/cel/microbiologia/morfologia1/morfologia1.html