Célula de Bactérias: Diferentes Partes de uma Célula de Bactérias Generalizadas (explicadas com diagramas) | Micro biologia
As diferentes partes de uma célula bacteriana generalizada foram mostradas na Figura 2.3 e foram descritas da seguinte forma:
1. Flagelos:
Os flagelos bacterianos são apêndices helicoidais filamentosos finos semelhantes a pêlos que se projetam através da parede celular e são responsáveis pela motilidade das bactérias. A maioria das bactérias móveis possui flagelos.
Seu comprimento é de cerca de 10-15µ. Os flagelos bacterianos são totalmente diferentes dos flagelos eucarióticos em estrutura e mecanismo de ação. Eles são muito mais finos que os flagelos ou cílios das células eucarióticas. Nenhuma membrana celular está presente sobre os flagelos bacterianos ao contrário dos flagelos eucarióticos.
Além disso, os flagelos bacterianos, ao contrário dos flagelos eucarióticos, são um tanto rígidos e não oscilam para trás e para frente, mas giram muito como a hélice de um barco para o movimento da célula. Os flagelos bacterianos têm três partes, a saber; (a) Corpo Basal, (b) Gancho e (c) Filamento (Figura 2.4).
(uma) Corpo Basal:
Forma a parte de base do flagelo e está ancorada na membrana citoplasmática e na parede celular. Ele fornece ancoragem aos flagelos, bem como funciona como um motor, transmitindo assim o movimento rotativo do flagelo.
Consiste em uma pequena haste central que passa por um sistema de anéis. No caso de bactérias gram-positivas, nas quais a parede celular consiste apenas de uma camada de peptidoglicano, o corpo basal tem apenas um par de anéis; o anel M e o anel S, ambos embutidos na membrana celular.
Em torno desses anéis, há um grupo de proteínas chamadas proteínas mot. O movimento do próton através da membrana celular através dessas proteínas mot produz a força motriz do próton (energia) necessária para a rotação desses dois anéis, que em última análise atuam como o motor para a rotação semelhante à hélice do flagelo.
Outro grupo de proteínas, chamadas proteínas fli, está presente entre esses dois anéis. Eles funcionam como interruptor motor, revertendo a rotação do flagelo em resposta a sinais intracelulares.
No caso de bactérias gram-negativas, nas quais a parede celular consiste de uma camada externa de lipopolissacarídeo (LPS), além da camada de peptidoglicano interno mais fina, o corpo basal tem mais um par de anéis; o anel em L incorporado na camada de LPS e o anel de P na fina camada de peptidoglicano.
b) Gancho:
Um gancho curto conecta o corpo basal ao filamento do flagelo. É ligeiramente mais grosso que o filamento. A ação motora do corpo basal é transmitida ao filamento através do gancho.
c) Filamento:
É a porção filamentosa longa e parecida com um fio de cabelo do flagelo, que emerge do gancho. É várias vezes mais longo que a célula bacteriana. É feito de um único tipo de proteína, "flagelina", cujo peso molecular é de cerca de 40.000. Moléculas de flagelina formam cadeias; três dessas cadeias entrelaçam-se para formar o flagelo. Ao contrário de um cabelo, que cresce em sua base, o filamento de um flagelo cresce em sua ponta.
Os aminoácidos passam pelo centro oco do filamento e se somam à sua extremidade distal. Esse processo é chamado de automontagem, pois todas as informações para a estrutura final do filamento residem nas próprias subunidades de proteína. O filamento é um pouco rígido e não oscila para frente e para trás, mas sim como a hélice de um barco para o movimento da célula.
As espiroquetas carecem de flagelos externos. No entanto, eles se movem com a ajuda de uma estrutura similar a flagelos localizada dentro de suas células logo abaixo do envelope externo. Estes são chamados de flagelos periplasmáticos, flagelos axiais, fibrilas axiais ou endoflagella.
Flagelos são organizados de maneiras diferentes em diferentes bactérias. O arranjo dos flagelos nas células bacterianas é chamado de flagelação. A flagelação é dos quatro tipos seguintes (Figura 2.5).
(a) flagelação Monotrichous (Mono: single; trichous: hair): Um único flagelo está presente em uma extremidade da célula.
(b) flagelação de Lophotrichous (Lopho: tuft; trichous: cabelo): Um tufo ou cluster de flagelos está presente em uma extremidade da célula.
(c) Flagelação anfiteróica (Amphi: ambos; trichous: hair): os flagelos estão presentes em ambas as extremidades da célula, quer isoladamente ou em tufos.
(d) flagelação Peritrichous (Peri: ao redor; trichous: cabelo): Flagelos estão presentes em toda a superfície da célula.
2. Fimbriae:
As fímrias são apêndices semelhantes a pêlos filamentosos finos, que são estruturalmente semelhantes aos flagelos, mas não estão envolvidos na motilidade das bactérias (Figura 2.3). Ao contrário dos flagelos, eles são consideravelmente mais curtos e numerosos, mas como os flagelos, eles são feitos de moléculas de proteína.
As fímbrias estão presentes em poucas espécies de bactérias, que as ajudam a se unir às células de outros organismos e a impedir que sejam lavadas pelo fluxo de muco ou fluido corporal. Assim, ajuda particularmente as bactérias patogênicas a estabelecer infecção no corpo do hospedeiro. Eles também ajudam a formar películas ou biofilmes nas superfícies.
3. Pili:
Pili são finos apêndices filamentosos semelhantes a pêlos, que são estruturalmente semelhantes aos flagelos, mas não estão envolvidos na motilidade das bactérias (Figura 2.6). Eles também são estruturalmente semelhantes às fímbrias, mas são geralmente mais longos e apenas um ou poucos pili estão presentes na superfície de uma célula bacteriana.
É feito de um único tipo de proteína, 'pilin', cujo peso molecular é de cerca de 17.000. As moléculas de Pilin são dispostas helicoidalmente para formar um único filamento rígido com um núcleo oco central. Em algumas bactérias, o material genético é transferido através do núcleo oco do pili durante a conjugação (acasalamento com outra bactéria).
Tais pili são chamados pili da fertilidade (F pili) ou pili do sexo. Em algumas bactérias patogênicas, os pili atuam de forma semelhante às fímbrias em ligação às células do hospedeiro e ao estabelecimento da infecção. A ação aglutinante do pili resulta na formação de filmes de bactérias que são visíveis na superfície das culturas de caldo.
4. S-Camada:
A camada S (camada superficial) é uma camada encontrada na superfície da maioria das bactérias patogênicas, que é composta por uma matriz bidimensional de proteínas com aparência cristalina em várias simetrias, como hexagonal, tetragonal ou trimérica (Figura 2.7). .
A simetria cristalina depende da composição das proteínas da camada S. Está associado à estrutura da parede celular (com a camada de peptidoglicano em bactérias gram-positivas e com a camada LPS em bactérias gram-negativas).
Funciona como uma barreira de permeabilidade externa, permitindo a passagem de substâncias de baixo peso molecular e excluindo substâncias de alto peso molecular. Também fornece proteção às bactérias patogênicas, contra o mecanismo de defesa do hospedeiro.
5. Cápsula (camada de lodo ou glicocálice):
Muitas bactérias têm um material viscoso viscoso ou gomoso fora da célula, circundando a parede celular (Figura 2.8). É feito de macromoléculas, que não são covalentemente ligadas à bactéria.
Estas macromoléculas de superfície são principalmente polissacarídeos carregados (glicoproteínas ou glicolipídios) e são, portanto, chamados de 'glicocálix' (glico: carboidratos; cálice: parte da flor abaixo das pétalas que se estende para fora do pedúnculo). O glicocálice é definido como o material contendo polissacarídeo localizado fora da célula como uma rede solta de fibras de polímero que se estende para fora da célula.
Eles são sintetizados e secretados pelas bactérias, que se ligam aos receptores na superfície dos tecidos do hospedeiro. O glicocálice não é encontrado apenas em torno de algumas células bacterianas; Também é encontrado em torno de algumas células de plantas e animais.
O Glicocalyx pode ser de três tipos, como segue:
(a) Cápsula:
É um revestimento de polímero que consiste em uma camada viscosa densa e bem definida, cercando as células bacterianas em muitas espécies. A camada viscosa pode ser visualizada por microscopia de luz usando uma técnica especial de coloração.
As fibras poliméricas do glicocálix são organizadas em uma matriz compacta que exclui partículas como a tinta indiana. Bactérias, que têm cápsula, são chamadas de bactérias capsuladas, enquanto aquelas que não têm cápsula são chamadas de bactérias não capsuladas.
(b) microcápsula:
É uma camada viscosa que envolve as células bacterianas, que é tão fina que não pode ser visualizada por microscopia de luz.
c) Lodo:
É uma massa difusa de fibras de polímero aparentemente não conectada a uma única célula. A camada viscosa é tão espessa que muitas células estão embutidas na matriz do lodo. A camada é facilmente deformada e não exclui partículas. É difícil de ser visualizado por microscopia de luz.
As funções da cápsula e do lodo são dadas abaixo:
1. Evita a secagem das células, ligando as moléculas de água.
2. Evita a ligação de bacteriófagos (os vírus que atacam as bactérias) nas células das bactérias.
3. Ele fornece virulência (a capacidade de produzir doenças), inibindo seu reconhecimento e subsequente destruição por fagócitos (glóbulos brancos ou glóbulos brancos).
4. Ajuda as bactérias patogênicas a se ligarem a receptores na superfície dos tecidos do hospedeiro a serem infectados.
5. Proporciona aderência entre diferentes células bacterianas.
6. Bainhas:
As bainhas são estruturas tubulares ocas longas, que encerram cadeias de células de bactérias formando "tricomas" (Figura 2.9). Bactérias embainhadas são comuns em habitats de água doce que são ricos em matéria orgânica, como riachos poluídos, filtros de gotejamento e digestores de lodo ativado em estações de tratamento de esgoto. As bainhas podem ser facilmente visualizadas, quando algumas das células, chamadas "as células de enxame flagelado" do tricoma, saem da bainha deixando para trás a bainha vazia.
7. Pros-thecae:
Pros-thecae são extensões citoplasmáticas de células bacterianas, que formam apêndices como hifa, caule ou broto. Eles são menores em diâmetro que as células maduras, contêm citoplasma e são limitados pela parede celular. Bactérias com pros-thecae são chamadas de bactérias prosthecadas.
Ao contrário da divisão celular em outras bactérias, que ocorre através de fissão binária produzindo duas células filhas equivalentes que nas prosthecatas envolve a formação de uma nova célula filha com a célula mãe retendo sua identidade após a divisão celular estar completa.
"Hifas" são apêndices celulares formados por extensão celular direta da célula-mãe contendo parede celular, membrana celular, ribossoma e ocasionalmente DNA. É formado pelo alongamento de um pequeno crescimento da célula bacteriana em um único ponto.
Esse crescimento em um único ponto é chamado de 'crescimento polar' em contraste com o 'crescimento intercalar' ocorrendo em todas as outras bactérias, nas quais o crescimento de bactérias ocorre em toda a superfície. No final da hifa, forma-se uma gema que aumenta e produz um flagelo.
O DNA na célula-mãe se replica e uma cópia do DNA circular é movida ao longo do comprimento da hifa para dentro da gema. Uma cruz septal então forma separando o broto ainda em desenvolvimento da célula hifa e mãe.
Agora, o botão se rompe da célula-mãe e nada como uma célula filha. Mais tarde, a célula-filha perde seu flagelo e gradualmente cresce para se tornar uma célula-mãe pronta para a formação de hifas e botões.
'Talos' são apêndices celulares usados por certas bactérias aquáticas para fixação em substrato sólido. No final do talo existe uma estrutura chamada 'holdfast', pela qual o pedúnculo é preso ao substrato. Além de proporcionar fixação, o pedúnculo também aumenta a área de superfície da célula bacteriana, o que auxilia na absorção de nutrientes e na remoção de resíduos.
Em algumas bactérias, os caules de vários indivíduos permanecem ligados para formar 'rosetas'. A divisão celular em bactérias desengaçadas ocorre pelo alongamento da célula na direção oposta à direção do pedúnculo seguido por fissão. Um único flagelo é formado no pólo oposto ao pedúnculo.
A célula filha flagelada assim formada é chamada de 'enxame'. Ele se separa da célula-mãe não flagelada, nada ao redor e se liga a uma nova superfície formando um novo talo no pólo flagelado. O flagelo é então perdido.
'Buds' são apêndices celulares, que se desenvolvem diretamente como células-filhas das células-mãe, sem a formação de hifas.
8. parede celular:
A parede celular é a estrutura rígida que envolve imediatamente a membrana celular das células bacterianas. A membrana celular das células bacterianas é uma bicamada fosfolipídica semelhante à de todas as outras células animais e vegetais (Figura 2.11).
Enquanto as células animais não possuem parede celular, as células vegetais e as células bacterianas possuem parede celular ao redor da membrana celular. No entanto, ao contrário da parede celular das células vegetais, que é composta principalmente de celulose, a parede celular das células bacterianas é composta principalmente de camadas de peptidoglicano (Figura 2.10).
Anteriormente, o peptidoglicano também era chamado de mureína ou mucopeptídeo. O peptidoglicano consiste principalmente de aminoácidos e açúcares (peptido: cadeia de aminoácidos; glicano: açúcar). Dois açúcares, nomeadamente a N-acetilglucosamina (NAGA) e o ácido N-acetilmurâmico (NAMA) são ligados um ao outro alternadamente através de ligações glicosídicas (ligação p-1-4) para formar longas cadeias de açúcar paralelas.
Ligadas às moléculas NAMA estão cadeias laterais curtas de quatro ou cinco aminoácidos ligados entre si através de ligações peptídicas. Normalmente, os aminoácidos são alanina, ácido glutâmico e lisina ou ácido diaminopimélico (DAP). Estes péptidos curtos formam ligações cruzadas entre cadeias de açúcar adjacentes para formar uma rede ou camada.
Embora as ligações glicosídicas nas cadeias de açúcar sejam muito fortes, elas sozinhas não podem fornecer rigidez em todas as direções. Alta rigidez é obtida, somente quando estas cadeias são reticuladas pelas ligações peptídicas nos péptidos curtos de reticulação.
A composição da parede celular não é a mesma para todas as bactérias; em vez disso, existem diferenças notáveis em sua composição, com base nas bactérias que foram agrupadas como abaixo:
A. Baseado na coloração de Gram:
Com base nas diferenças na composição da parede celular, uma técnica especial de coloração chamada 'coloração de grama', em homenagem ao Dr. Christian Gram, que a desenvolveu, diferencia as bactérias em dois grupos:
(1) Bactérias Gram-positivas:
Após a coloração de uma bactéria com cristal violeta, se a sua parede celular resiste à descoloração por lavagem com um agente descolorante (etanol ou acetona), é uma bactéria gram-positiva. Exemplos: Bacilo, Staphylococcus.
(2) Bactérias Gram-negativas:
Após a coloração de uma bactéria com cristal violeta, se a sua parede celular permitir a descoloração por lavagem com um agente descolorante (etanol ou acetona), é uma bactéria gram-negativa. Exemplos: Escherichia, Salmonella, Vibrio.
A diferenciação de bactérias em grupos gram-positivos e gram-negativos fornece a pista mais importante para prosseguir na direção correta para a identificação de bactérias desconhecidas.
Parede Celular Gram-Positiva:
A parede celular gram-positiva é muito simples. É feito principalmente de uma camada espessa de peptidoglicano, que constitui cerca de 90% da parede celular. Esta camada espessa torna as bactérias gram-positivas resistentes à lise osmótica.
A parede também pode conter ácido teicóico, ácido lipoteicóico e proteína M, que são os principais antígenos de superfície da parede celular gram-positiva. O ácido teicóico é carregado negativamente e é parcialmente responsável pela carga negativa da superfície celular das bactérias. Também ajuda na passagem de íons através da parede celular.
O ácido lipoteicóico é o ácido teicóico, que é ligado aos lipídios da membrana. A proteína M ajuda algumas bactérias a causar doenças, impedindo seu englobamento por WBC. Os antibióticos, a penicilina (produzida pelo fungo Penicillium notatum) e a cefalosporina, matam as bactérias gram-positivas, impedindo a síntese de peptidoglicanos. A lisozima (uma enzima encontrada na lágrima, na saliva, na albumina do ovo e no lodo do peixe) mata as bactérias gram-positivas, quebrando a ligação glicosídica (ligação β-1-4) entre o NAGA e o NAMA.
Parede Celular Gram-Negativa:
A parede celular gram-negativa é muito complexa e mais frágil que a parede celular gram-positiva. Tem uma fina camada de peptideoglicano, que constitui apenas cerca de 10% da parede celular. Ela é cercada por uma camada protetora espessa chamada lipopolissacarídeo (LPS), que resiste à penetração de algumas substâncias químicas potencialmente tóxicas na célula bacteriana.
A camada de LPS consiste em 1) uma camada de lipoproteína e 2) uma membrana externa. Uma superfície da camada de lipoproteína está directamente ligada à camada de peptidoglicano e a outra superfície estende-se para a membrana externa.
Funciona como uma âncora entre a camada de peptidoglicano e a membrana externa. A membrana externa é uma bicamada fosfolipídica embebida em proteína com estrutura de "membrana unitária" semelhante à membrana celular. A folha interna da membrana externa é uma camada de moléculas fosfolipídicas sozinha.
No entanto, ao contrário da membrana unitária, algumas das moléculas fosfolipídicas na folha externa são substituídas por moléculas LPS. Cada molécula de LPS é constituída por uma porção lipídica denominada "lípido A" ligada covalentemente a um polissacárido semelhante a um pêlo.
Quando as bactérias patogênicas gram-negativas são mortas dentro do corpo do hospedeiro, o lipídio A, que é um componente interno das bactérias gram-negativas, é liberado, provocando reações tóxicas e sintomas da doença. É por isso que o lipídio A também é chamado de 'endotoxina' (endo: interno).
Em contraste, "exotoxina" é a substância tóxica sintetizada dentro das células bacterianas e liberada para fora, que causa doenças, se presente ou entra no corpo do hospedeiro. Ao contrário de outros lipídios normais, como triglicérides, que são feitos de três ácidos graxos ligados a um glicerol, o lipídio A é feito de ácidos graxos ligados a um dissacarídeo composto de dois fosfatos NAGA.
Os ácidos gordos no lípido A são geralmente ácidos capróico, láurico, mirístico, palmítico e esteárico. O polissacarídeo, que é ligado ao lípido A na outra extremidade do dissacarídeo, é feito de duas porções; 1) o polissacarídeo do núcleo interno e 2) o O-polissacarídeo externo.
A membrana externa também contém proteínas chamadas "porins", que contêm três subunidades idênticas. Cada subunidade é cilíndrica com um poro central, através do qual os materiais podem passar. Assim, as porinas tornam a membrana externa relativamente permeável.
Porins são de dois tipos; 1) porinas não específicas, que formam canais cheios de água para passagem de pequenas substâncias de qualquer tipo e 2) porinas específicas, que possuem locais de ligação específicos para passagem de substâncias específicas.
Diversos materiais (soluções, seringas, agulhas, etc.), embora sejam liberados de micróbios patogênicos por esterilização por calor, ainda retêm os restos residuais da parede celular das bactérias gram-negativas produzidas ao matá-los. Se introduzido no corpo do hospedeiro, esses detritos da parede celular podem induzir sintomas da doença. Esse fragmento de parede celular quebrado, que pode induzir sintomas da doença, é chamado de 'pirogênio'.
B. Com base em coloração ácido-rápida:
Com base nas diferenças na composição da parede celular, outra técnica especial de coloração denominada "coloração ácido-resistente" diferencia as bactérias em dois grupos:
(1) Bactérias Ácido-Rápido:
Uma bactéria, que é extremamente difícil de ser corada, mas uma vez corada, é igualmente difícil remover a mancha de suas células, mesmo com o uso vigoroso de ácido-álcool como agente descolorante, é uma bactéria ácido-rápida bactérias).
Exemplos: Mycobacterium spp. [M. tuberculose (bactéria da tuberculose), M. leprae (bactéria da lepra), M. smegmatis (bactéria natural da smegma), M. marinum (bactéria da tuberculose de peixes marinhos)]. Eles possuem uma parede celular cerosa espessa feita de materiais lipídicos.
(2) Bactérias não ácidas e velozes:
Uma bactéria, que é fácil de ser corada e também é fácil de ser descorada pelo ácido-álcool como agente descolorante, é uma bactéria não ácida e veloz (bactérias que não amam ácidos). Exemplos: Todas as outras bactérias, exceto Mycobacterium spp. Nestas bactérias, a parede celular não é cerosa espessa.
A diferenciação de bactérias em grupos ácido-rápido e não-ácido-rápido fornece a pista mais importante para a identificação de Mycobacterium spp.
Variantes deficientes em parede:
Algumas bactérias existem naturalmente sem a parede celular. Mycoplasma, que é a menor bactéria, não tem parede celular. É protegido da lise osmótica pela presença de esteróis na membrana celular e pela adoção de uma existência parasitária em ambiente osmoticamente favorável de hospedeiros eucarióticos.
Da mesma forma, algumas bactérias marinhas carecem de parede celular, na qual a lise osmótica é impedida pela alta concentração salina da água do mar. A maioria das bactérias gram-positivas perde sua parede celular (peptidoglicano) na presença de lisozima.
No entanto, suas células sobrevivem se estiverem presentes em um ambiente isotônico, como feridas cheias de pus. Estas bactérias deficientes na parede, consistindo apenas de protoplasma fechado por membrana celular, são chamadas de 'protoplasto' ou 'formas L' (L para o Lister Institute em Londres).
Uma vez removida a lisozima, podem retomar o crescimento sintetizando a parede celular. Se o protoplasto retém pedaços de parede celular, de tal modo que a célula toma forma amebóide, projetando-se para fora onde não há parede celular, ela é chamada de "esferoplasto".
O esferoplasto também é formado quando o peptidoglicano da parede celular gram-negativa é removido por tratamento com lisozima. Aqui, o protoplasma é envolvido por duas camadas, a membrana celular e a camada LPS.
Funções da parede celular:
a) Forma de protecção Lise:
Protege as células das bactérias da lise osmótica, pois a maioria delas permanece em ambientes hipotônicos. Isto é porque; a concentração de solutos dissolvidos dentro das células bacterianas é consideravelmente maior que a do ambiente. Isso desenvolve uma considerável pressão de turgescência dentro das células, o que pode ser comparável à pressão dentro de um pneu de automóvel. A parede celular ajuda a suportar essa pressão.
b) Forma e rigidez
Fornece forma e rigidez às células das bactérias.
9. Espaço Periplasmático:
É o fino espaço entre a parede celular e a membrana celular (Figuras 2.10 e 2.11). Está cheio de plasma chamado periplasma. O periplasma contém várias proteínas, das quais três são importantes.
São elas: 1) enzimas hidrolíticas, que auxiliam na degradação inicial de moléculas alimentares de bactérias, 2) proteínas ligantes, que iniciam o processo de transporte de substratos e 3) quimiorreceptores, que estão envolvidos na resposta quimiotáxica das bactérias. Quimiotaxia significa movimento para ou longe de um produto químico.
10. Membrana Celular:
É uma fina membrana abaixo da parede celular que envolve completamente o protoplasma. É também chamado de "membrana citoplasmática" ou "membrana plasmática". É uma bicamada fosfolipídica embebida em proteínas (Figura 2.11).
Dois tipos de proteínas são incorporados na bicamada. Um tipo de proteína é tenazmente mantido na bicamada e é chamado de 'proteínas integrais'. Os outros tipos de proteínas estão fracamente ancorados na superfície da bicamada e são chamados de "proteínas periféricas".
Os componentes da membrana não são estáticos; ao contrário, eles são dinâmicos e estão sempre no estado de movimento como um "fluido". As proteínas fornecem à membrana uma aparência de "mosaico".
É por isso que; a membrana unitária é geralmente expressa por meio de um "modelo fluido-mosaico". A bicamada fosfolipídica consiste em duas camadas opostas, cada uma consistindo de uma camada de moléculas fosfolipídicas. Cada molécula de fosfolipídios tem uma cabeça e um par de caudas emergindo dela.
A cabeça é carregada e hidrofílica (amante da água), pela qual permanece em direção ao ambiente aquoso. As caudas são não carregadas e hidrofóbicas (ódio à água), pelo que permanecem escondidas no interior da membrana, longe do ambiente aquoso. Essa membrana é chamada "membrana unitária".
Esteróis, que estão presentes na membrana unitária de todos os eucariotos como agente de fortalecimento, estão ausentes nas membranas unitárias de praticamente todas as bactérias. No entanto, moléculas semelhantes aos esteróis, chamadas "humanóides", estão presentes em várias bactérias, que desempenham um papel semelhante ao dos esteróis nos eucariotos. Um dos humanóides importantes é o diploptene, que possui 30 átomos de carbono.
Funções da membrana celular:
(a) Barreira de permeabilidade:
O interior da célula (o citoplasma) consiste de uma solução aquosa de sais, açúcares, aminoácidos, vitaminas, coenzimas e uma grande variedade de outros materiais solúveis. A natureza hidrofóbica da membrana celular faz com que seja uma barreira apertada.
Embora algumas pequenas moléculas hidrofóbicas possam passar através da membrana por difusão, moléculas hidrofílicas e carregadas (a maioria das moléculas solúveis em água) não passam prontamente através dela. Estas moléculas são transportadas através de sistemas de transporte específicos.
Mesmo uma substância tão pequena quanto um íon de hidrogênio (H + ) não difunde através da membrana celular. A única molécula que penetra na membrana é a água, que é suficientemente pequena e não carregada para passar entre as moléculas dos fosfolípidos.
Assim, a membrana celular é uma barreira crítica que separa o interior da célula de seu ambiente e impede o vazamento passivo de constituintes do citoplasma para dentro ou para fora da célula. Se a membrana é quebrada, a integridade da célula é destruída, o conteúdo interno vaza para o ambiente e a célula morre.
(b) barreira seletiva:
A membrana celular também é uma barreira altamente seletiva. Proteínas específicas, chamadas 'sistemas de transporte de membrana' presentes na membrana celular e na membrana celular permitem e facilitam o transporte de substâncias específicas através do transporte ativo e passivo.
Estruturalmente, os sistemas de transporte de membrana são proteínas feitas de 12 hélices alfa que se movem para frente e para trás através da membrana para formar um canal, através do qual a substância a ser transportada é levada para dentro ou para fora da célula.
Essas proteínas podem se ligar a substâncias específicas a serem transportadas e movê-las para dentro ou para fora da célula através da membrana, conforme necessário. Isso permite que uma célula bacteriana concentre substâncias específicas dentro da célula e remova substâncias específicas da célula para o exterior.
Existem três tipos de proteínas transportadoras de membrana, como 1) Uniporters, que transportam um tipo de molécula somente em uma direção através da membrana, 2) Symporters, que transportam um tipo de molécula e sempre transportam outro tipo de molécula junto com ele. na mesma direção e 3) Antiportadores, que transportam um tipo de molécula e sempre transportam outro tipo de molécula na direção oposta.
O transporte de substâncias pode ocorrer de três maneiras, como 1) transporte simples, no qual o transporte é feito através da membrana pela energia da força motriz do próton, 2) translocação do grupo, na qual a substância transportada é quimicamente alterada durante a passagem através da membrana e 3) transporte ABC (cassete de ligação ao ATP), no qual uma proteína de ligação periplasmática no periplasma se liga especificamente à substância, uma proteína que atravessa a membrana e atravessa a membrana através da membrana e uma proteína citoplasmática. A proteína de hidrólise de ATP presente no citoplasma fornece a energia para o evento de transporte.
(c) Hidrólise Extracelular:
A membrana celular secreta muitas enzimas para o exterior para a quebra extracelular de grandes partículas de alimentos em moléculas, que podem passar para a célula através da membrana.
(d) Respiração:
As bactérias não têm mitocôndrias. Portanto, a respiração celular, para obter energia de materiais alimentares, é realizada na membrana celular, que contém as enzimas da cadeia respiratória. É um dispositivo para conservação de energia na célula.
A membrana pode existir em uma forma "carregada" energeticamente, na qual uma separação de prótons (H + ) de íons hidroxila (OH-) ocorre através de sua superfície. Essa separação de carga é uma forma de energia metabólica, análoga à energia potencial presente em uma bateria carregada.
O estado energizado da membrana, chamado de 'força motriz de prótons' (PMF), é responsável por dirigir muitas funções que demandam energia na célula, incluindo algumas formas de transporte, motilidade e a biossíntese da moeda energética da célula, ATP. .
(e) fotossíntese:
Bactérias fototróficas realizam fotossíntese por organelas especiais chamadas "cromatóforos", que são formadas pela imaginação da membrana celular. Essas organelas contêm enzimas e pigmentos para a fotossíntese.
(f) Absorção de Nutrientes:
Nutrientes no entorno são diretamente absorvidos pelas células da bactéria através da membrana celular. Mesossomos são invaginações membranosas da membrana celular no citoplasma, que aumentam a área de superfície para absorção eficiente.
g) Reprodução:
Bactérias se reproduzem por fissão binária. Cada célula se divide em duas células-filhas. No processo, a membrana celular forma a nova parede celular entre células filhas em divisão.
11. Citoplasma:
A substância viscosa semelhante a fluido, que preenche o compartimento dentro da membrana celular, é chamada de citoplasma (Figuras 2.10 e 2.11). É um fluido feito de água, enzimas e pequenas moléculas. Suspenso no fluido há uma região relativamente transparente de material cromossômico chamado 'nucleóide', grânulos de ribossomos e inclusões citoplasmáticas, que armazenam energia.
12. Nucleóide:
É a massa agregada de DNA que compõe o cromossomo das bactérias (Figura 2.12). Como as bactérias são procariontes, o seu DNA não está confinado dentro de um núcleo ligado à membrana, como é em eucariotos.
No entanto, ele não está espalhado por toda a célula, mas tende a se agregar como uma estrutura distinta dentro da célula bacteriana e é chamado de 'nucleóide' (Figura 2.12). Os ribossomos estão ausentes na região do nucleóide, porque o DNA nucleóide existe em uma forma gelatinosa que exclui o material particulado.
A maioria das bactérias contém apenas um único cromossomo, que consiste em um único DNA de cadeia dupla circular, embora algumas bactérias tenham DNA cromossômico linear. Normalmente, o DNA cromossômico é extensamente torcido e dobrado em "DNA super-enrolado", de modo a acomodá-lo no pequeno espaço do nucleóide.
O DNA super-enrolado é mais compacto que o DNA circularizado livre. As bactérias contêm apenas uma única cópia de cada gene em seu cromossomo e, portanto, são geneticamente "haplóides". Em contraste, eucariontes contêm duas cópias de cada gene em seus cromossomos e são, portanto, geneticamente diplóides.
O gene pode ser definido como qualquer segmento de um DNA, que é responsável por um caráter particular do organismo hospedeiro. Cada caractere de um organismo é especificado por um gene em particular, que consiste em um segmento particular do DNA.
O DNA cromossômico das bactérias contém os essenciais 'genes de manutenção', necessários para a sobrevivência básica das bactérias. Este DNA é distribuído entre as duas células filhas durante a divisão celular.
Além dos genes cromossômicos, há também genes não cromossômicos presentes fora do cromossomo. Por exemplo, os plasmídeos contêm genes específicos, que conferem propriedades especiais às bactérias. A soma total de todos os genes presentes em uma célula é chamada de "genoma".
13. Plasmids:
Estes são poucos DNA não-cromossômicos encontrados no citoplasma de algumas bactérias (Figura 2.12). Cada plasmídeo consiste em um pequeno pedaço circular de DNA de fita dupla, que pode se replicar independentemente do cromossomo. Muitos plasmídeos são pequenos, mas alguns são bem grandes.
No entanto, nenhum plasmídeo é tão grande quanto o cromossomo. Os plasmídeos não possuem genes essenciais para o crescimento ou sobrevivência bacteriana. Eles podem ter genes responsáveis pela resistência a antibióticos, pela produção de toxinas ou pela produção de apêndices superficiais essenciais para a fixação e estabelecimento da infecção.
Assim, os plasmídeos contêm os genes que conferem propriedades especiais às bactérias, ao contrário do DNA cromossômico, que contém os genes essenciais que mantêm a casa necessários para a sobrevivência básica das bactérias.
Alguns plasmídeos, que podem se integrar ao DNA cromossômico do hospedeiro, são chamados de "epissomas". Os plasmídeos também podem ser eliminados da célula bacteriana hospedeira pelo processo chamado "cura". Alguns plasmídeos são amplamente utilizados na manipulação genética e engenharia genética.
14. Ribossomas:
São corpos granulares presentes no citoplasma, nos quais ocorre a síntese de proteínas (Figura 2.3). Eles são tão numerosos que sua presença confere ao citoplasma uma aparência escura. O tamanho de cada ribossomo bacteriano é 70 S (70 Svedberg), que consiste em duas subunidades de tamanho 50S e 30S. Em contraste, o tamanho de cada ribossoma eucariótico é 80 S consistindo em duas subunidades de tamanho 60S e 40S.
15. Vacúolos de Gás:
Vacúolos gasosos são estruturas cheias de gás em forma de fuso encontradas no citoplasma (Figuras 2.3 e 2.13). São tubos cilíndricos ocos, fechados por uma tampa cônica oca em cada extremidade. Seu número em uma célula pode variar de alguns a centenas.
Seu comprimento e largura variam em diferentes bactérias, mas os vacúolos de qualquer bactéria são mais ou menos de tamanho constante. They are hollow, but rigid. They are impermeable to water and solutes, but are permeable to most gases. Therefore, the composition of the gas inside them is the same as that of the gas, in which the organism is suspended.
Gas is present in the vacuoles at about 1 atm. pressure. Therefore, rigidity of gas vacuole membrane is essential for the vacuole to resist the pressure exerted on it from outside. Due to this, it is composed of proteins able to form a rigid membrane rather than of lipids, which would form a fluid, highly mobile membrane.
There are two types of proteins, which make the membrane. They are 1) GvpA and 2) GvpC (Gas vacuole protein A and C). GvpA is the major gas vacuoles protein, which is small and highly hydrophobic (Figure 2.13). It is the shell protein and makes up 97% of the total protein of the gas vacuoles.
Gas vacuoles are made of several GvpA protein molecules aligned as parallel 'ribs' forming a watertight surface. GvpA proteins fold as a (3-sheet and thus, give considerable rigidity to the overall vacuole structure. GvpC is a larger protein, but is present in much smaller amount.
It strengthens the shell of the gas vacuoles by acting as cross-linker, binding several GvpA ribs together like a clamp. The final shape of the gas vacuoles, which can vary in different organisms from long and thin to short and fat is a function of how the GvpA and GvpC proteins are arranged to form the intact vacuoles.
As the gas vacuoles are filled with gases, their density is about 5- 20% of that of the cell proper. Thus, the intact gas vacuoles decrease the density of the bacteria cells, thereby conferring buoyancy to them.
Most of the floating aquatic bacteria have gas vacuoles, which confer buoyancy and help them to float on the surface of water or anywhere in the water column. Gas vacuoles also act as a means of motility, allowing cells to float up and down in the water column in response to environmental factors.
For example, aquatic phototrophic organisms benefit from gas vacuoles, which help them to adjust their position rapidly in the water column to regions where light intensity for photosynthesis is optimal. The gas vacuole membrane cannot resist high hydrostatic pressure and can collapse, leading to a loss of buoyancy. Once collapsed, gas vacuoles cannot be reinflated.
16. Inclusions:
The non-living reserve materials suspended in the cytoplasm are called 'inclusions' (Figure 2.3). Most of the inclusions are bounded by a thin non-unit membrane consisting of lipids separating them from the surrounding cytoplasm.
Their function is the storage of energy or structural building blocks. Different bacteria contain different types of inclusions.
Some of the common inclusions found in bacteria cells are described below:
(a) Poly-β-hydroxybutyric Acid (PHB) Granules:
These are granules consisting of poly- β-hydroxybutyric acid (PHB), which is a lipid-like substance. Monomers of β-hydroxybutyric acid are bonded to each other in a chain by ester linkages to form the polymer of poly- β-hydroxybutyric acid. The polymers aggregate into granules.
(b) Poly-β-hydroxyalkanoate (PHA) Granules:
It is a collective term used to describe all classes of carbon/energy storage polymers found in bacterial cytoplasm. The most common PHA granules are the PHB granules. The length of the monomers in a polymer can vary, from as short as C 4 (in PHB granules) to as long as C 18 (in other granules) in many bacteria.
(c) Volutin Granules:
These are granules composed of polyphosphates. The basic dye, toluidine blue becomes reddish violet, when it combines with the polyphosphate granules. This phenomenon of color change is called 'metachromasy'. Therefore, volutin granules are also called 'metachromatic granules'.
(d) Glycogen Granules:
These are starch-like polymers made of glucose subunits. Glycogen granules are usually smaller than PHB granules. These are storage depots of carbon and energy in bacteria cells.
(e) Sulphur Granules:
These are granules of elemental sulphur produced by its accumulation in the cytoplasm. Elemental sulphur comes from the oxidation of reduced sulphur compounds like hydrogen sulphide and thiosulphate. The granules remain as long as the source of reduced sulphur is present. As the source disappears, being utilized by the bacteria cells, the granules also disappear slowly.
(f) Magnetosomes:
Magnetosomes are granules of the iron mineral magnetite, Fe 3 O 4 . They impart a permanent magnetic dipole to a bacteria cell, allowing it to respond to magnetic fields. A membrane containing phospholipids, proteins and glycoproteins surround each magnetosome.
The membrane proteins play a role in precipitating Fe 3+ (brought into the cell in soluble form by chelating agents) as Fe 3 0 4 in the developing magnetosomes. The morphology of magnetosomes appears to be species-specific, varying in shape from square to rectangular to spike-shaped in certain bacteria.
Magnetosomes are primarily found in aquatic bacteria. Bacteria that produce magnetosomes orient and migrate along geomagnetic field. This phenomenon is called 'magnetotaxis'. Bacteria, which show magnetotaxis, are called 'magnetotactic bacteria'.
There is no evidence chat magnetotactic bacteria employ the sensory systems of chemotactic or phototactic bacteria. Instead, the alignment of magnetosomes in a bacteria cell simply imparts magnetic properties to it, which then orients the cell in a particular direction in its environment. Thus, a better term to describe these organisms is ' magnetic bacteria'.
17. Endospore:
It is a differentiated cell formed within the cell of certain gram-positive rod-shaped bacteria, which can withstand severe adverse conditions like heat, cold, radiation, ageing, toxic chemicals and lack of nutrients.
Mostly, the following three genera of rod-shaped bacteria can produce endospores in adverse conditions:
I. Aerobic rod-shaped bacteria
1. Bacillus spp.
II. Anaerobic rod-shaped bacteria
2. Clostridium spp.
3. Desulfotomaculum spp.
Structure of Endospore:
The structure of the endospore is much more complex than that of the vegetative cell in that it has many layers. The layers from outside towards inside are given below (Figure 2.14).
(uma) Exosporium:
It is the outermost layer, which is a thin, delicate covering, made of proteins.
b) Spore coat:
It is made of layers of spore-specific proteins. It acts like a sieve that excludes large toxic molecules like lysozyme, is resistant to many toxic molecules and may also contain enzymes that are involved in the germination of the spore.
c) Córtex:
It is made of loosely cross-linked peptidoglycan.
(d) Core:
It contains the usual structures of bacteria cell, which includes the cell wall (core wall), enclosing the spore protoplast. The spore protoplast consists of the cell membrane, cytoplasm, nucleoid, ribosomes, inclusions and so on.
Thus, the spore differs structurally from the vegetative cell primarily in the kinds of structures found outside the core wall.
Propriedades do Núcleo Endósporo:
O núcleo de um endosporo maduro difere grandemente da célula vegetativa, a partir da qual é formado.
As propriedades do núcleo endósporo são as seguintes:
(a) Uma substância química que é característica dos endósporos, mas não presente nas células vegetativas, é o ácido dipicolínico (DPA). Está localizado no núcleo.
(b) Esporos também são ricos em íons de cálcio, a maioria dos quais são combinados com ácido dipicolínico. O complexo de ácido cálcio-dipicolínico do núcleo representa cerca de 10% do peso seco do endosporo.
(c) Além de ter um conteúdo abundante de ácido cálcio-dipicolínico (Ca-DPA), o núcleo está em um estado parcialmente desidratado. O núcleo de um endosporo maduro contém apenas 10-30% do conteúdo de água da célula vegetativa e, assim, a consistência do citoplasma do núcleo é a de um gel.
A desidratação do núcleo aumenta muito a resistência ao calor do endosporo, além de conferir resistência a produtos químicos, como o peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ), e faz com que as enzimas presentes no núcleo permaneçam inativas.
(d) Além do baixo teor de água do esporo, o pH do citoplasma do núcleo é cerca de uma unidade menor que o da célula vegetativa.
(e) O núcleo contém altos níveis de proteínas específicas do núcleo chamadas 'pequenas proteínas de esporos solúveis em ácido' (SASPs). Estes são sintetizados durante o processo de especulação e possuem duas funções. Primeiro, eles se ligam firmemente ao DNA no núcleo e protegem-no de possíveis danos causados pela radiação UV, dessecação e calor seco. Segundo, elas funcionam como a fonte de carbono e energia para o crescimento de novas células vegetativas pelo processo de germinação.
Ciclo do Esporo:
Em condições adversas, um esporo é produzido dentro de uma célula vegetativa por desidratação e contração do conteúdo da célula (Figura 2.14). Esse esporo, formado dentro da célula bacteriana, é chamado de 'endosporo'. Se as condições adversas piorarem, a célula se rompe liberando o endosporo, que agora se torna uma célula dormente independente chamada "esporo".
O processo pelo qual uma célula vegetativa produz um esporo é chamado de "esporogênese" ou "esporulação". O esporo permanece na forma inativa inativa até que as condições adversas persistam. Ao retornar de condições favoráveis, o esporo retorna à forma vegetativa e se torna ativo novamente.
As camadas que cobrem a ruptura do esporo e o esporo dão origem a uma célula vegetativa metabolicamente ativa. O processo pelo qual um esporo muda para uma célula vegetativa é chamado de "germinação".
O processo cíclico de mudança da forma vegetativa para o esporo sob condições adversas e de volta à forma vegetativa sob condições favoráveis é chamado de "ciclo do esporo".
As duas metades do ciclo do esporo são dadas abaixo:
A. esporulação:
A esporulação envolve uma série muito complexa de eventos na diferenciação celular (Figura 2.14). Muitas mudanças geneticamente dirigidas na célula estão na base da conversão de uma célula úmida, metabolicamente ativa, em um esporo seco, inativado metabolicamente, mas extremamente resistente.
As mudanças estruturais que ocorrem nas células esporuladas podem ser divididas em vários estágios. Todo o processo de esporulação leva algumas horas. Estudos genéticos mostraram que cerca de 200 genes estão envolvidos em um processo típico de esporulação.
Durante a esporulação, a síntese de algumas proteínas envolvidas no funcionamento de células vegetativas cessa e a síntese de proteínas esporuladas específicas começa. Estas proteínas são chamadas 'pequenas proteínas solúveis em ácido' (SASPs).
Isto é conseguido pela ativação de uma variedade de genes específicos de esporos, incluindo spo, ssp (que codifica SASPs) e muitos outros genes em resposta à condição ambiental adversa. As proteínas codificadas por esses genes catalisam a série de eventos mudando uma célula vegetativa para um esporo.
O esporo ganha sua resistência ao calor por vários mecanismos, que ainda não foram claramente explicados. No entanto, é claro que as camadas impermeáveis, como o córtex dos esporos e o revestimento de esporos, protegem o esporo de qualquer dano físico.
Um fator importante que influencia a resistência ao calor de um esporo é a quantidade e o estado da água dentro dele. Durante a esporulação, o protoplasma é reduzido a um volume mínimo, como resultado do acúmulo de Ca2 +, pequenas proteínas de esporos solúveis em ácido (SASPs) e síntese de ácido dipicolínico, o que leva à formação de uma estrutura semelhante a gel.
Nesse estágio, um córtex espesso se forma ao redor do núcleo do protoplasto. A contração do córtex resulta em um protoplasto encolhido e desidratado, com um teor de água de apenas 10 a 30% do de uma célula vegetativa. O teor de água do protoplasto e a concentração de SASPs determinam a resistência ao calor do esporo.
Se o esporo tem baixa concentração de SASPs e alto teor de água, ele apresenta baixa resistência ao calor. Se possui alta concentração de SASPs e baixo teor de água, apresenta alta resistência ao calor. A água se move livremente para dentro e para fora do esporo. Assim, não é a impermeabilidade do revestimento de esporos, mas sim o material semelhante a gel no protoplasto de esporos, que exclui a água.
B. Germinação:
Um endosporo pode permanecer inativo por muitos anos, mas pode converter de volta a uma célula vegetativa de forma relativamente rápida. Este processo envolve três etapas; ativação, germinação e crescimento. 'Ativação' envolve ativar o esporo e torná-lo pronto para a germinação.
'Germinação' envolve perda de refratividade microscópica do esporo e perda de resistência ao calor e produtos químicos. O esporo perde o ácido cálcio-dipicolínico e os componentes do córtex. Além disso, os SASPs estão degradados.
'Crescimento' envolve inchaço visível devido à absorção de água, bem como síntese de novo DNA, RNA e proteínas. A célula emerge do revestimento de esporos quebrado e, eventualmente, começa a se dividir. A célula permanece em crescimento vegetativo até que as condições ambientais sejam favoráveis.
Enquanto esteriliza um material para torná-lo livre de bactérias, as bactérias presentes nele são mortas por algum método. No entanto, se o material contiver formadores de esporos, torna-se difícil esterilizá-lo. Quanto mais o número de esporos no material, maior a tensão necessária para esterilizá-lo.
Para colônias de bactérias formadoras de esporos cultivadas em placas ou inclinações de ágar, à medida que a idade das bactérias aumenta, elas formam esporos devido ao envelhecimento, deficiência de nutrientes e acúmulo de metabólitos.
