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: Jul 12, 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

Estrutura de uma célula procariota:
O envelope celular compreende uma membrana plasmática (camada verde) e uma parede celular espessa, com peptidoglicanos (camada amarela). Não está presente nenhuma membrana externa lipídica (como visto nas bactérias gram-negativas). A cápsula (camada vermelha) é diferente do envelope celular.

Imagem por Lecturio.
  • Organização das células procarióticas:
    • Sem envelope nuclear
    • DNA 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
  • DNA
  • 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

Células bacterianas com várias morfologias e arranjos:
As bactérias existem numa ampla variedade de morfologias e arranjos. Cocos e bacilos em pares e clusters estão entre os mais comuns.

Imagem por 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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