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Bacteriologia: Descrição Geral

A bacteriologia é o ramo da microbiologia que lida com a morfologia, estrutura, classificação e bioquímica das bactérias. A disciplina de bacteriologia surgiu durante o século 19, a partir de tentativas científicas de provar a “teoria dos germes da doença”, ou seja, que as doenças eram causadas por microorganismos microscópicos que invadiam as células hospedeiras. As bactérias são microrganismos unicelulares procariotas que são metabolicamente ativos e se dividem por fissão binária. Alguns destes microorganismos desempenham um papel significativo na patogénese de doenças. O tratamento da doença bacteriana baseia-se sobretudo na antibioterapia; porém, a escolha dos antibióticos pode variar dependendo da estrutura e do metabolismo bacteriano.

Última atualização: 6 Jul, 2022

Responsibilidade editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Introdução

  • Bactérias:
    • Entre as primeiras formas de vida na Terra
    • Habitam quase todos os ambientes da Terra
    • Vivem simbioticamente com plantas e animais
    • A maioria das bactérias não foi caracterizada.
  • Características gerais:
    • Seres unicelulares
    • Procariotas: não possuem envelope/membrana nuclear
  • Identificação:
    • Através da técnica de coloração de Gram associada à microscopia
    • A cultura de células é útil na sua identificação exata.
    • A sensibilidade dos testes é considerada para a escolha do tratamento.
O processo de diagnóstico laboratorial (2)

Processo de identificação laboratorial:
A identificação de agentes patogénicos bacterianos é um processo passo a passo que geralmente começa com a técnica de coloração de Gram, seguida pelo crescimento em cultura isolada.

Imagem por Lecturio.

Estrutura

Average prokaryote cell

Structure of a prokaryote cell:
The cell envelope comprises a plasma membrane (green layer) and a thick, peptidoglycan-containing cell wall (yellow layer). No outer lipid membrane is present (as seen in gram-negative bacteria). The capsule (red layer) is distinct from the cell envelope.

Image by Lecturio.
  • Organização das células procarióticas:
    • Sem envelope nuclear
    • ADN comprimido em nucleóide
    • Ausência de organelos ligados à membrana
    • O metabolismo ocorre no citoplasma.
  • Parede celular:
    • Proporciona estabilidade mecânica
    • Permite a troca de nutrientes e resíduos
    • Peptidoglicano de mureína:
      • Polímero de açúcar e aminoácidos que forma a base da parede celular
      • N-acetil glucosamina e ácido N-acetilmurâmico reticulados com oligopeptídeos
      • Componente de quase todas as paredes bacterianas (exceção: micoplasmas)
    • A espessura da parede celular determina a coloração de Gram.
  • Membrana de plasma:
    • Análoga às membranas procarióticas
    • Composta por proteínas e fosfolípidos
    • Ao contrário dos microorganismos eucariotas, carece de esterois
    • Envolve o citoplasma das células
  • Flagelos:
    • Aproximadamente 50% dos procariontes movem-se com a ajuda de flagelos:
      • Monotríquico: 1 flagelo
      • Politríquico: > 1 flagelo
    • Compostos por uma proteína estrutural, a flagelina, e não estão envolvidos pela membrana celular
    • Localização: monopolar, bipolar ou por todo o corpo
  • Pili (fímbrias):
    • Estruturalmente semelhante ao flagelo, mas muito menor
    • Ajuda na adesão ao hospedeiro/outras bactérias = fator de virulência
    • Utilizado para trocar informações genéticas durante a conjugação
  • Nucleóide:
    • Equivalente funcional do núcleo procariótico
    • Não possui membrana
    • Contém material genético:
      • Geralmente 1 cromossoma
      • Pode possuir plasmídeos adicionais
  • Inclusões e vesículas:
    • As vesículas de gás permitem que as bactérias fotossintéticas flutuem na água.
    • Organelos para fotossíntese e quimiossíntese
    • Os carboxissomas contêm enzimas chave para a fixação de CO2.
    • Grânulos de armazenamento (por exemplo, enxofre, fosfato, cálcio, glicogénio)
Tabela: Estruturas da célula bacteriana: composição química e funções
Estrutura Composição química Função
Anexos
Flagelo Proteínas Mobilidade
Pili/fímbrias Glicoproteína Aderência à superfície celular
Estruturas especializadas
Esporo
  • Revestimento tipo queratina
  • Ácido dipicolínico
  • Peptidoglicano
  • ADN
  • Apenas Gram+
  • Resistente à desidratação, calor e produtos químicos
Envelope celular
Cápsula Camada de polissacarídeo organizada Protege contra a fagocitose
Camada de lodo Rede solta de polissacarídeos Media a aderência às superfícies
Membrana externa
  • Fosfolípidos
  • Proteínas
  • Apenas Gram-
  • Endotoxina: O lípido A liberta TNF e IL-1.
Periplasma Peptidoglicano no meio Acumula componentes que surgem das células gram-
Parede celular Peptidoglicano na espinha dorsal do açúcar A estrutura tipo rede oferece suporte rígido.
Membrana citoplasmática Saco de bicamada fosfolipídica
  • Local de armazenamento das enzimas oxidativas e de transporte
  • Os ácidos lipoteicóicos libertam TNF-α e IL-1.
TNF: fator de necrose tumoral
IL-1: interleucina-1

Classificação

Coloração de Gram

A coloração de Gram é uma técnica que surgiu com o bacteriologista Hans Christian Joachim Gram e é utilizada para diferenciar grupos de bactérias com base nas diferenças dos constituintes das suas paredes celulares.

Diferenças entre células de bactérias gram-positivas e gram-negativas

Diferenças entre as membranas celulares de bactérias gram-positivas e gram-negativas:
As paredes celulares das bactérias gram-positivas e gram-negativas contêm camadas de peptidoglicanos, porém a camada das bactérias gram-negativas é muito mais fina e envolvida por outra camada externa.

Imagem por Lecturio.

A coloração de Gram ajuda a distinguir entre bactérias gram-positivas e gram-negativas pela coloração das células a vermelho ou violeta.

Processo de coloração de Gram:

  • Bactérias tratadas com corante cristal violeta
  • A mancha é lavada com álcool.
  • As células realçam com o corante de contraste vermelho de safranina.

Coloração de bactérias gram-positivas:

  • A parede celular contém uma camada espessa de peptidoglicanos (mureína).
  • Retêm a coloração violeta de cristal e não são afetados pelo corante de contraste de safranina
  • Aparecem a cor azul-púrpura

Coloração de bactérias gram-negativas:

  • A parede celular tem uma camada fina de peptidoglicanos (mureína).
  • Não retêm o corante cristal violeta, mas retêm o contraste de safranina
  • Aparecem a cor rosa-vermelho

A coloração desempenha um papel importante no diagnóstico/patologia:

  • Bactérias Gram-positivas:
    • Comensal mais comum
    • Frequentemente encontradas na pele de indivíduos saudáveis
  • Bactérias gram-negativas:
    • Menos sensíveis à penicilina devido à membrana de bicamada lipídica adicional
    • Contêm a 2ª membrana na forma de uma bicamada lipídica
    • Após a degradação, os lipopolissacarídeos da 2ª camada de membrana podem ser libertados como endotoxinas.
    • As endotoxinas são pirogénios que causam febre alta e calafrios

Morfologia

  • As bactérias apresentam uma grande diversidade de formas e tamanhos.
  • As morfologias mais comuns são cocos e bacilos, que podem organizar-se em vários arranjos
  • Arranjos:
    • Pares
    • Tétrades
    • Agrupamentos
    • Correntes
    • Paliçadas
Tabela: Morfologia e arranjo de bactérias
Morfologia Arranjos
Cocos
  • Esféricos
  • Imóveis
  • Único ou aos pares (Diplococos)
  • Cadeias torcidas (estreptococos)
  • Aglomerados (estafilococos)
Bacilos
  • Cilindros de ponta arredondada
  • Bastões
Spirilla
  • Helicoidal
  • Torcido
Espiroquetas
  • Helicoidal
  • Filamentos longos, semelhantes a flagelos
  • Movimentos tipo saca-rolhas
  • Subgrupo: Treponema
Género Selenomonas Cilindros curvados num plano
Género Haloquadratum
  • Morfologias incomuns
  • Quadrado, em forma de caixa plana
Vibrações
  • Bactérias redondas em forma de vírgula
  • Flagelado
Bacterial cells with various morphologies and arrangements

Bacterial cells with various morphologies and arrangements:
Bacteria exist in a wide variety of morphologies and arrangements. Cocci and bacilli in pairs and clusters are among the most common.

Image by Lecturio.

Visão geral da classificação

Fluxograma de microbiologia classificação de bactérias gram-positivas

Bactérias gram-positivas:
A maioria das bactérias pode ser classificada de acordo com um procedimento de laboratório chamado coloração de Gram.
As bactérias com paredes celulares que possuem uma camada espessa de peptidoglicano retêm a coloração de cristal violeta utilizada na coloração de Gram, mas não são afetadas pela contracoloração de safranina. Estas bactérias aparecem azul-púrpura na coloração, o que indica que são gram-positivas. As bactérias podem ainda ser classificadas de acordo com a morfologia (filamentos ramificados, bacilos e cocos em aglomerados ou cadeias) e capacidade de crescer na presença de oxigénio (aeróbio versus anaeróbio). Os cocos também podem ser identificados. Os estafilococos podem ser reduzidos com base na presença da enzima coagulase e na sua sensibilidade ao antibiótico novobiocina. Os estreptococos são cultivados no meio agar de sangue e classificados com base no padrão de hemólise (α, β ou γ). Os estreptococos são ainda mais reduzidos com base na sua resposta ao teste de pirrolidonil-β-naftilamida (PYR), sensibilidade a antimicrobianos específicos (optoquina e bacitracina) e capacidade de crescer em meio de cloreto de sódio (NaCl).

Imagem por Lecturio. Licença: CC BY-NC-SA 4.0
Fluxograma de classificação de bactérias gram negativas

Bactérias gram-negativas:
A maioria das bactérias pode ser classificada de acordo com um procedimento de laboratório chamado coloração de Gram.
As paredes celulares bacterianas com uma camada fina de peptidoglicanos não retêm a coloração cristal violeta utilizada na técnica coloração de Gram. No entanto, as bactérias gram-negativas retêm a coloração de contraste de safranina e aparecem com cor vermelho-rosado. Estas bactérias podem ainda ser classificadas de acordo com a sua morfologia (diplococos, bastonetes curvos, bacilos e cocobacilos) e capacidade de crescerem na presença de oxigénio (aeróbios versus anaeróbios). As bactérias Gram-negativas podem ser identificadas com precisão através de culturas em meios específicos (Agar Tríplice Açúcar Ferro (TSI)), com a identificação das enzimas (urease, oxidase) e determinação da capacidade de fermentar a lactose.
* Cora pouco com coloração de Gram
** Bastonete pleomórfico/cocobacilos
*** Requer meios de transporte especiais

Imagem por Lecturio.

Toxinas

Endotoxinas

  • Geradas durante a rutura da parede celular bacteriana quando as bactérias morrem
  • Ativam o complemento do hospedeiro e cascatas de coagulação
  • Causam choque sético
  • Sintomas não específicos da doença:
    • Febre
    • Dor
    • Choque
    • Fadiga
    • Desconforto

Exotoxinas

  • Produzidas e secretadas
  • Podem resultar em sintomas graves específicos da doença
  • 3 categorias principais:
    • Enterotoxinas
    • Neurotoxinas
    • Citotoxinas
  • Exemplos:
    • Cólera
    • Botulismo
    • Difteria
    • Toxinas do tétano

Metabolismo

As bactérias são microorganismos heterotróficos que carecem de substâncias orgânicas para sobreviver.

Classificado com base nos requisitos de oxigénio:

  • Aeróbios obrigatórios (aerófilos): O oxigénio é necessário para manter o metabolismo.
  • Anaeróbios obrigatórios:
    • Sem enzimas respiratórias presentes
    • A energia é gerada através da glicólise anaeróbia.
    • O oxigénio é tóxico.
  • Microaerófilos:
    • O oxigénio é necessário para o crescimento
    • Níveis muito elevados interrompem o crescimento
  • Anaeróbios facultativos: podem crescer na presença ou ausência de oxigénio

Reprodução

As bactérias podem trocar o material genético:

  • Podem incorporar DNA estranho no seu genoma
  • Podem recombinar dentro do pool genético existente
  • Podem transferir características genéticas entre si:
    • Conjugação: transferência parassexual por contacto via pili
    • Transdução: através de bacteriófagos (vírus que infetam bactérias)
    • Transformação: introdução de DNA livre, isolado e estranho no genoma
Tipos bacterianos de transmissão genética

Esquema dos diferentes tipos de transmissão genética em bactérias

Imagem por Lecturio.

Fatores de virulência

A virulência é a capacidade de um microorganismo infetar o hospedeiro e causar doenças. Os fatores de virulência são moléculas que auxiliam a bactéria na colonização do hospedeiro e podem ser de natureza secretora, associada à membrana ou citosólica.

Tabela: Mecanismos de virulência, fatores de virulência e função
Mecanismo Fatores de virulência Função
Colonização
  • Ácido teicoico (principalmente em microorganismos gram-positivos)
  • Adesinas
  • Biofilmes
  • Flagelos
  • Permitem a fixação e invasão das superfícies das células hospedeiras
  • Os biofilmes conferem proteção em relação à penetrância de antibióticos
  • Mobilidade
Evicção do sistema imunológico
  • Cápsula
  • IgA protease
  • Proteína A
Cria uma barreira física, bloqueando a opsonização e a fagocitose
Nutrição bacteriana Sideróforos
  • Quelatos de ferro
  • Absorção de ferro
Variação antigénica
  • Pili
  • Expressão de cápsulas e flagelos
  • Deriva antigénica
Camuflagem de marcadores moleculares de superfície que permitem a evasão do sistema imunológico
Sobrevivência intracelular
  • Inibição da fusão fagossoma-lisossoma
  • Saída dos fagossomos antes da fusão ocorrer
  • Invasões
Previne a destruição intracelular das bactérias
Sistema de secreção tipo III Injetável Permite que as bactérias injetem toxinas nas células hospedeiras
Resposta inflamatória
  • Anticorpos específicos para bactérias
  • Complexos imunológicos
  • Peptidoglicano e ácido teicóico
  • Células hospedeiras mímicas (por exemplo, Streptococcus do grupo A)
  • Reações de hipersensibilidade tardia
  • Formação de granulomas

Referências

  1. Baron, S., Editor. Medical Microbiology. 4th edition. Galveston (TX): University of Texas Medical Branch at Galveston; 1996. Introduction to Bacteriology.
  2. Woese, C.R., Fox, G.E. November 1977. Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: The primary kingdoms. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 74 (11): 5088–90.
  3. Cabeen, M.T., Jacobs-Wagner C. August 2005. Bacterial cell shape. Nature Reviews. Microbiology. 3 (8): 601–10.

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