BIOLOGIA PARA A VIDA : DOMÍNIO BACTÉRIA REINO EUBACTÉRIA

DOMÍNIO BACTÉRIA
REINO EUBACTÉRIA

Comparação entre o tamanho de uma vespa parasita e o tamanho de uma

bactéria da espécie Thiomargarita namibiensis Shultz, 1997.

Um diagrama de árvore simples mostrando a relação entre LUCA (último ancestral comum universal) e FUCA (primeiro ancestral celular universal). A hipotética transferência de genes pré-LUCA de células antigas para genomas pós-LUCA também é mostrada, juntamente com eventos de extinção de linhagens celulares que não têm descendentes modernos. (um lugar para os vírus na árvore da vida)

Os tres dominios de Carl Woese

Carl Woese (1977) propôs um modelo baseado em aspectos evolutivos a partir da comparação de sequências de rRNA. Com o aporte de mais dados sobre a estrutura das sequencias dos diferentes rRNA estudados, ficou claro que os organismos eucariotos apresentam muitas relações entre si e que os procariotos poderiam não ser mais um único grupo, sendo organizados em dois grandes grgrupos. Assim, temos três domínios: Domínio Bactéria, Domínio Archaea e Domínio Eukarya. O domínio Bacteria com um reino: Eubactéria, o domínio Archaea com um reino: Archaebacteria e o domínio Eukarya com os reinos Protoctistas, Plantae (Embryophyta), Mycota (Fungi) e reino Metazoa (Animalia).

WOESE, C.R., FOX G.E. (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. (PDF)

Os três domínios de Carl Woese, 1977.

Acredita-se que cerca de metade da biomassa do planeta seja constituída pelos microrganismos, seguidos das plantas (35%) e animais (15%).

Estima-se que em uma amostra de 1g de solo contenha cerca de 1 bilhão de microrganismos (especialmente bactérias, fungos e protozoários, (Reinos: Eubacteria, Fungi e Protoctista) distribuídos em 10 mil espécies.

Deste total, 90% da diversidade permanecem desconhecidos, ou seja, virtualmente não sabemos nada sobre eles, quem realmente são o que fazem como vivem...

As bactérias são as formas de vida microscópica mais antigas em nosso planeta, com registros fósseis de 3,8 bilhões de anos (estromatólitos).

Estromatólito é uma rocha formada por um "tapete" ou camadas de bactérias (seres procariotos do reino Bactéria) que vivem no fundo de mares rasos, que foram morrendo e misturadas com sedimento formou uma camada que sedimentou. Seus corpos e o resto de sua alimentação se acumulam até formar uma estrutura semelhante a um recife. Os estromatólitos, por serem os primeiros organismos a realizarem fotossíntese, são responsáveis pelo oxigênio do ar.
Logo, esses organismos unicelulares tornaram a atmosfera do planeta respirável há cerca de 3,5 bilhões de anos atrás. Sem eles todo o oxigênio estaria ligado a metais formando óxidos e hidróxidos.

Esses microrganismos têm ampla capacidade de adaptação em ambientes extremos de temperatura, umidade e pressão, motivo de sua versatilidade evolutiva (extremófilos). As bactérias são responsáveis por 90 a 95% de toda a ciclagem de nutrientes, ficando evidente a importância da diversidade bacteriana para o funcionamento dos ecossistemas.

É verdade que as bactérias são conhecidas por sua capacidade de causar doenças (tuberculose, cólera, botulismo, Hanseníase, sífilis, gonorreia, carbúnculo, meningite etc.), mas felizmente uma maioria delas vivem em simbiose com animais e plantas, executando serviços extremamente importantes para o planeta, que de outra maneira não seriam executados por nenhum outro ser vivo.

CARACTERÍSTICAS GERAIS DAS EUBACTÉRIAS

A palavra bacteria é o plural do latim bacterium a qual é uma latinização do grego βακτήριον (bakterion), o diminutivo de βακτηρία (bakteria), que significa bastão, cana, uma vez que as primeiras bactérias descobertas lembravam um bastão. Bactéria constitui um grupo de organismos procariotos, unicelulares, sem organelas delimitadas por membranas e sem carioteca (envoltório nuclear) que pertence ao domínio Bacteria. Anteriormente estavam colocadas num reino chamado Monera.

Tamanho

Com relação ao tamanho são geralmente microscópicas ou sub-microscópicas, podendo serem visualizadas apenas através de microscopia eletrônica. Apresentam dimensões entre: 0,2 µm (micrômetro) por ex. micoplasma, até 30 µm em espiroquetas, a maioria eventualmente chegam mais de 100 µm.

Entretanto existem exceções a regra, como exemplo pode-se citar dois exemplos: Thiomargarita namibiensis, e Epulopiscium fishelsoni, essas duas espécies detêm o record de tamanho entre as bactérias.

Thiomargarita namibiensis Schulz et al., 1999, é uma espécie de bactéria cocóide Gram negativa da família Thiotrichaceae. A espécie foi descoberta em sedimentos oceânicos na plataforma continental da Namíbia em 1997, sendo descrita somente em 1999. É a maior bactéria já descrita em nosso planeta, superando a Epulopiscium fishelsoni, até então considerada a maior bactéria já descrita. T. namibiensis pode ser visualizada a olho nu, atingindo cerca de 750 μm (0,75 mm) de comprimento e 0,1 a 0,3 mm de largura. Essa espécie de bactéria utiliza-se de compostos inorgânicos para obtenção e conservação de energia. A oxidação destes compostos gera energia suficiente para a produção de ATP. Pesquisas recentes mostraram que esta bactéria é séssil e anaeróbica facultativa.

(A) A seta branca aponta para uma única célula de Thiomargarita, com 0,5 mm de largura, que brilha em branco devido às inclusões internas de enxofre. Acima, há uma parte vazia da bainha, onde as duas células vizinhas morreram. A célula foi fotografada ao lado de uma mosca das fruta (Drosophila viriles) de 3 mm de comprimento para dar uma noção do seu tamanho. (B) Uma cadeia típica de Thiomargarita, como aparece sob microscopia de luz. (C) Na extremidade esquerda da cadeia existem duas bainhas de muco vazias, enquanto no meio uma célula Thiomargarita está se dividindo. (D) Micrografia a laser Confocal de varredura mostrando citoplasma corado de verde com isotiocianato de fluoresceína e a luz dispersada pelos glóbulos de enxofre (branco). A maioria das células parece oca devido ao grande vacúolo central. (E) Micrografia eletrônica de transmissão da parede celular (área ampliada em (D)) mostrando a fina camada de citoplasma (C), o vacúolo (V) e a bainha (S).

(a–c) The shells of living gastropods (Provanna laevis) from the Costa Rica margin and the Cascadia margin (Hydrate Ridge) are colonized by attached, elongate Thiomargarita-like cells. Scale bars represent ∼1 mm.

Thiomargarita namibiensis uma proteobactéria cocóide, encontrada nos sedimentos oceânicos da plataforma continental da Namíbia. É a maior bactéria já descoberta, como cerca de 0,1 a 0,3 mm (100 a 300 μm) de diâmetro, mas às vezes atinge 0,75 mm (750 μm). As células de T. namibiensis são grandes o suficiente para serem visíveis a olho nu. Embora a espécie detenha o recorde da maior bactéria, Epulopiscium fishelsoni (descoberto anteriormente no intestino de peixes cirurgiões, cresce um pouco mais, mas é uma célula mais estreita).

Thiomargarita significa "pérola de enxofre". Isso se refere à aparência das células; eles contêm grânulos microscópicos de enxofre que dispersam a luz incidente, dando à célula um brilho perolado. Como muitas bactérias cocóides, como o estreptococo, sua divisão celular tende a ocorrer ao longo de um único eixo, fazendo com que suas células formem cadeias, como cordas de pérolas. O nome da espécie (epíteto específico) namibiensis significa "da Namíbia".

A bactéria é quimolitotrófica e capaz de usar nitrato como aceptor de elétrons terminais na cadeia de transporte de elétrons. A bactéria oxida sulfeto de hidrogênio (H2S) em enxofre (S) elementar (S). Este é depositado como grânulos no seu citoplasma que apresenta alta refração da luz e opalescente, fazendo o organismo parecer uma pérola.

An apparent reproductive developmental cycle in attached sulfur bacteria (a) appears to begin with the attachment of a spherical cell to a solid substrate (arrows 1), followed by elongation to a stalked form (arrows 2), initial bud formation (arrows 3) and finally budding (arrows 4) to produce a spherical daughter cell (arrows 5). (b, c) Attached sulfur bacteria on a gastropod shell. (d, e) Detail of attached cell and intracellular sulfur globules. (f) Bacteria attached to mussel byssal threads. (g) Budded Thiomargarita-like cell was observed to undergo complete detachment from the mother cell between 12 and 20 h after collection. After bud detachment, the elongate mother cell (a4 → 3) can continue to produce additional buds. Scale bar in b=350 μm; c=1 mm; d=200 μm; f=300 μm. (Bailey et al. 2011).

The species was discovered by Heide N. Schulz and others in 1997, in the coastal seafloor sediments of Walvis Bay (Namibia). In 2005, a closely related strain was discovered in the Gulpf of Mexico.[3] Among other differences from the Namibian strain, the Mexican strain does not seem to divide along a single axis and accordingly does not form chains. No other species in the genus Thiomargarita are known at present. The previously largest known bacterium was Epulopiscium fishelsoni (1), with 0.5 mm long.

Células semelhantes à tiomargarita de vida livre foram observadas em sedimentos sulfídicos em vários montes de lama e infiltrações de metano associadas (Figura 1a).

Figure 1. Vacuolate sulfide-oxidizing bacteria are abundant on a variety of substrates along the Costa Rica Margin including (a) free-living Thiomargarita-like cells and large Beggiatoa-like filaments inhabiting sulfidic sediments; (b) slightly elongate Thiomargarita-like morphotypes attached to authigenic carbonates; and (c) elongate Thiomargarita-like cells attached to Bathymodiolus mussel byssal threads. Scale bars represent 500 μm.

Como nos sedimentos ao largo da costa da Namíbia (Schulz et al., 1999) e no Golfo do México (Kalanetra et al., 2005), bactérias sulfurosas de vida livre da Costa Rica semelhantes a Thiomargarita foram mais abundantes em sedimentos associados a "tapetes" brancas e cinzas nos 3 cm superiores do sedimento da interface sedimento/água.

Em algumas localidades, as populações de células consistiam principalmente de células únicas semelhantes a Thiomargarita misturadas com grandes filamentos do tipo Beggiatoa (Figura 1a), enquanto em outros locais, aglomerados de células simétricas predominavam em material floculante cinza no fundo do mar.

Vacuolate sulfide-oxidizing bacteria are abundant on a variety of substrates along the Costa Rica Margin including (a) free-living Thiomargarita-like cells and large Beggiatoa-like filaments inhabiting sulfidic sediments; (b) slightly elongate Thiomargarita-like morphotypes attached to authigenic carbonates; and (c) elongate Thiomargarita-like cells attached to Bathymodiolus mussel byssal threads. Scale bars represent 500 μm.

Esses agrupamentos celulares continham 2, 4, 8 e 16 células, semelhantes às produzidas por divisão redutiva em Thiomargarita sp. do Golfo do México (Kalanetra et al., 2005). Nas proximidades desses sedimentos, ricos em células esféricas semelhantes a Thiomargarita de vida livre, filmes finos de biomassa microbiana foram encontrados aderidos a carbonatos autigênicos derivados de metano (Figura 1b), fios de bissal do mexilhão Bathymodiolus spp. (Figura 1c), fragmentos de detritos orgânicos e, mais comumente, os tegumentos de invertebrados endêmicos infiltrados (Figuras 2a-c).

Classificação

O domínio Bactéria abarca organismos unicelulares e procariontes que anteriormente eram classificados como monera. Esse domínio engloba bactérias que causam doenças ao homem e também aquelas encontradas em ambientes como a água e o solo. Levando-se em conta a classificação de Woese, o Reino Monera desaparece uma vez que todos os procariotos estão agora agrupados em dois domínios: Archaea e Bacteria.

Assim, levando-se em conta essa classificação proposta por Woese et all. (1977) teremos 6 reinos que são os seguintes:

Eubactéria,

Archaeobacteria,

Protista,

Archaeplastida (Plantae, Metaphyta)

Fungi,

Metazoa (Animalia)

As bactérias constituíam anteriormente o reino Monera junto com as algas azuis ou cianofíceas (cianobactérias), atualmente foram divididas em dois importantes reinos.

Atualmente a classificação apresenta apenas três domínios que são: Bacteria, que compreende bactérias Gram+ e Gram-, as Archaea e os Eukarya, que compreende todos os demais organismos vivos do planeta.

Bactérias e arqueobactérias assemelham-se em alguns aspectos. Entretanto, as diferenças mais marcantes estão relacionadas aos seus conteúdos gênicos e quanto ao principal componente da parede celular.

Na parede celular das bactérias destaca-se o peptidioglicano, enquanto nas arqueobactérias destaca-se a pseudomureína.

Vale destacar que existem numerosos representantes do grupo das arqueobactérias que não exibem parede celular, assim como os micoplasmas, pertencentes ao grupo das bactérias. Nas bactérias, a arquitetura da parede celular é variável, o que nos permite classificá-las em dois grandes grupos: as Gram positivas e as Gram negativas.

PROCARIOTOS

Características gerais

Genomas pequenos;

DNA cromossômico e DNA plasmidial;

Genes contínuos (sem íntrons);

Agrupamento dos genes segundo a função metabólica;

Transferência horizontal de informação genética.

Os procariontes são organismos genética e bioquímicamente mais simples que os eucariontes e, por isso, mais fáceis de serem estudados. Grande parte das informações sobre estrutura e funcionamento dos ácidos nucléicos foi obtida a partir de estudos com bactérias (principalmente Eschericha coli). Uma bactéria desse tipo têm entre 2.500 e 3.500 genes cromossômicos que são responsáveis por todo o funcionamento celular. A identificação exata dos genes essenciais para o desempenho das funções celulares mínimas e construção de um genoma artificial com esses genes é o próxima grande desafio da pesquisa em genética molecular.

O conteúdo de DNA das bactérias geralmente está dividido em dois tipos de estruturas - o cromossomo bacteriano ou nucleóide e os plasmídeos. Essas estruturas não são formadas apenas por DNA, existe associação com proteínas (que garantem dobramento e níveis de condensação adequados). Quando comparadas com as interações DNA-proteínas que existem nos cromossomos eucariontes, o dobramento do cromossomo bacteriano é simples.

Cromossomo Bacteriano

1) Contem os genes que codificam para proteínas essenciais para o funcionamento da célula.

2) Geralmente é uma estrutura única e circular, formada por uma molécula de DNA que fica presa á parte interna da membrana plasmática;

3) Possui poucas regiões que não são genes;

4) É comum que genes relacionados com a mesma função ou via metabólica fiquem agrupados e sejam transcritos juntos (em uma mesma fita de mRNA) constituindo uma "unidade de transcrição". A tradução desse mRNA origina as proteínas codificadas pelos genes que fazem parte da região que foi transcrita.

5) Não contém genes interrompidos (são exceções os genes com íntrons)

Plasmídeos

1) Moléculas de DNA circulares e pequenas que ficam livres no citoplasma;

2) Contêm genes que codificam para proteínas relacionadas com vantagens adaptativas como resistência a antibióticos e capacidade de degradar moléculas que eventualmente apareçam no meio;

3) Geralmente cada célula tem vários plasmídeos (iguais ou diferentes);

4) Podem ser transferidos horizontalmente (sem ser por reprodução)

OBS.: A aquisição de plasmídeos depositados no ambiente após a morte de uma célula é um dos mecanismos relacionados com o rápido desenvolvimento de bactérias com resistências múltiplas a antibióticos. Essa aquisição (denominada de transformação) não respeita barreiras entre espécies (plasmídeos de uma espécie podem ser incorporados ao citoplasma de outra espécie).

Estilo de vida

As bactérias são os organismos mais antigos em nosso planeta e seus vestígios são encontrados em rochas com 3,8 bilhões de anos (província de Pilbara, crato Australiano), apresentam diversas formas corporais como por exemplo: cocos, bacilos, espirilos etc. e podem ser encontradas na forma isolada ou em colônias; podem viver na ausência de oxigênio (anaeróbias) ou na presença de oxigênio (aeróbias) ou ainda podem sobreviver em ambientes com ou sem oxigênio (anaeróbicas facultativas); podem ser autotróficas (fotossintetizantes ou quimiossintetizantes) ou heterotróficas (decompositoras). Por essas e outras características notáveis as bactérias são os organismos mais bem sucedidos do planeta Terra, e muito provavelmente deram origem a todos os outros organismos vivos ao longo da evolução. Seu número excedo o número de todos os organismos do planeta e em nosso intestino há uma quantidade de bactérias superior ao número de células em nosso corpo.

CARACTERÍSTICAS GERAIS

1. Tamanho

O tamanho das bactérias é geralmente muito pequeno, menor que 1 µm (1 µm = 0,001 mm) a 5µm ou menores. Com uma notável exceção da Thiomargarita sp que tem 0,1 mm (0,75 mm a 1,0 mm)

2. Organismos unicelulares

As bactérias apresentam-se constituídas por apenas uma única célula, embora possam formar colônias de milhares de indivíduos.

3. Procariotos

As bactérias são organismos procarióticos, i.e., não possuem núcleo. O material genético das bactérias (cromossomo bacteriano) esta em contato direto com o citoplasma da céula, não apresentando membrana (carioteca) que o proteja.

4. Genoma bacteriano

As bactérias geralmente apresentam um cromossomo principal.

O material genético bacteriano é um cromossomo constituído por um único filamento longo de DNA circular, ancorado em uma invaginação da membrana plasmática chamada mesossomo. Ao conjunto de cromossomo bacteriano e mesossomo, damos o nome nucleoide.

Visualization of DNA configurations by EM. Model replication forks were prepared for EM by mounting on carbon-coated EM grids and rotary shadowcasting with tungsten (Materials and Methods). Examples of linear molecules seen include replication fork templates comprising telomeric (A–D) or CTG (E–H) repeats and containing only a single ds tail (A, C, E and G) or two shorter ds tails (B, D, F and H). Bar is equivalent to 150 bp in panels showing full-length molecules. (FOUCHE et alii, 2006).

Além desse cromossomo, ela possui outras moléculas de DNA, os plasmídios, que são pequenos DNAs circulares dispersos no citoplasma, onde há também muitos ribossomos. Os plasmídios possuem genes que não são essenciais para a sobrevivência da bactéria, bem como genes de resistência a antibióticos.

Plasmídio

Principais tipos de plasmídios bacterianos

5. Estrutura básica das bactérias

1) Cápsula bacteriana,
2) Parede celular,
3) Membrana plasmática,
4) Citoplasma,
5) Ribossomos,
6) DNA e RNA,
7) Fimbrias, Pili e Flagelos.

A maioria das células bacterianas possui parede celular, localizada externamente à membrana plasmática, formada por peptideoglicano ou mureína, que garante proteção e forma à célula. Além da parede, algumas bactérias possuem uma cápsula polissacarídica que envolve essa estrutura.

No citoplasma observa-se a ausência de organelas membranosas e a presença de ribossomos, estruturas relacionadas com a síntese de proteínas. Os ribossomos estão presentes em grande quantidade e são menores que aqueles encontrados nas células eucarióticas. Nas células bacterianas podemos encontrar também grânulos de reserva, que variam de natureza química.

1. Cápsula bacteriana

Geralmente contém glicoproteínas (proteínas ligadas a açúcares) e um grande número de polissacarídeos (açúcares) polipeptídios (proteínas). A cápsula é uma camada protetora resistente à fagocitose por células do sistema imunológico. Também é utilizada como depósito de alimentos e como lugar de eliminação de substâncias do metabolismo bacteriano. Protege a bactéia contra a desidratação pois possui grande quantidade de água.

Estrutura de uma célula bacteriana mostrando um plasmídio. Plasmídio é um DNA circular, extracromossomal, que porta genes e pode conferir resistência a antibióticos.

2. Parede celular de peptidioglicano

Segundo BASTOS (2012) a parede celular é uma estrutura composta por uma rede macromolecular de peptideoglicano, cuja parte sacarídica é constituída de dois açúcares, N-acetilglicosamina (NAG) e N-acetilmurâmico (NAM), ligados um ao outro e formando uma fileira de dissacarídeos repetidos. As fileiras adjacentes são ligadas por polipeptídeos e esses polipeptídeos, ainda, podem estar ligados a uma ponte interpeptídica em algumas espécies. As paredes Gram positivas possuem ácidos teicóicos e muitas camadas de peptideoglicano, enquanto as paredes Gram negativas não possuem ácidos teicóicos, mas possuem uma ou poucas camadas de peptideoglicano, além de possuírem a camada de lipopolissacarídeo (LPS) e o periplasma.

Representação esquemática de conformações do backbone (espinha dorsal, eixo) de glicano. A) O dissacarídeo de repetição, N-acetilglicosamina NAM (caixa clara) e N-acetilmuramico, NAM (caixa escura), forma a espinha dorsal do PG. B) As hastes PG, representadas como setas, são giradas 180° em relação à haste adjacente. A unidade de dissacarídeo repetido tem uma periodicidade de 20 Å.

C) As hastes PG são giradas 120° em relação à haste adjacente com a periodicidade da unidade de dissacarídeo de 30 Å. D) As hastes PG são giradas 90° em relação à haste adjacente com a periodicidade da unidade de dissacarídeo de 40 Å.

[Schematic representation of glycan backbone conformations. A) The repeating disaccharide, NAM (light box)–NAM (dark box), forms the PG backbone. B) The PG stems, represented as arrows, are rotated 180° with respect to the adjacent stem. The repeat disaccharide unit has a periodicity of the 20 Å. C) The PG stems are rotated 120° with respect to the adjacent stem with the disaccharide unit periodicity of 30 Å. D) The PG stems are rotated 90° with respect to the adjacent stem with the disaccharide unit periodicity of 40 Å].

Comparação clássica das paredes de bactérias Gram-positivo e Gram-negativo, imagem do livro “Microbiologia de Brock”. (ELIAN E BASTOS, 2012).

Trabalhos recentes têm demonstrado que a estrutura pode ser mais complexa e diversificada do que supomos e é possivel que não conheçamos a real estrutura da parede ceular bacateriana. Na verdade, existem dois principais modelos que tentam explicar a estrutura da parede celular: O primeiro é conhecido como modelo em camadas e seria exatamente esse que estamos habituados, com a camada de dissacarídeos repetidos sendo paralela ao eixo principal da célula.

O outro modelo é conhecido como “Scaffold model” ou modelo em andaime. Nesse caso, a camada sacarídica seria perpendicular ao eixo principal da célula. Observações preliminares levam-nos a acreditar que a parede celular do Staphylococcus aureus tenha esssa configuração, todvia os estudos não são conclusivos.

Modelos em camadas e em andaime. Esquerda) No modelo em camadas, as cadeias PG se alongam em um plano paralelo à membrana. O modelo mostra que a transglicosilação de PG (destacada em amarelo) ocorre ao longo da direção da membrana, conforme mostrado pela seta. Direita) No modelo em andaime, as cadeias PG são orientadas perpendicularmente à membrana. O modelo em camadas (esquerda) mostra que as cadeias PG são orientadas paralelamente à membrana citoplasmática bacteriana. As setas mostram a direção do alongamento da cadeia Peptideoglicano. (KIN, CHANG AND SINGH, 2015)

[Fig. 2. Left) In the layered model PG chains elongate in a plane parallel to the membrane. The model shows that PG transglycosylation (highlighted in yellow) occurs along the direction of the membrane as shown by the arrow. Right) In scaffold model the PG chains are oriented perpendicularly to the membrane. Layered model (left) shows that the PG chains are oriented parallel to the bacterial cytoplasmic membrane. The arrows show the direction of PG chain elongation.]

Peptidoglycan is an essential component of cell wall in Gram-positive bacteria with unknown architecture. In this review, we summarize solid-state NMR approaches to address some of the unknowns in the Gram-positive bacteria peptidoglycan architecture: 1) peptidoglycan backbone conformation, 2) PG-lattice structure, 3) variations in the peptidoglycan architecture and composition, 4) the effects of peptidoglycan bridge-length on the peptidoglycan architecture in Fem mutants, 5) the orientation of glycan strands with respect to the membrane, and 6) the relationship between the peptidoglycan structure and the glycopeptide antibiotic mode of action. Solid-state NMR analyses of Staphylococcus aureus cell wall show that peptidoglycan chains are surprisingly ordered and densely packed. The peptidoglycan disaccharide backbone adopts 4-fold screw helical symmetry with the disaccharide unit periodicity of 40 Å. Peptidoglycan lattice in the S. aureus cell wall is formed by cross-linked PG stems that have parallel orientations. The structural characterization of Fem-mutants of S. aureus with varying lengths of bridge structures suggests that the PG-bridge length is an important determining factor for the PG architecture. This article is part of a Special Issue entitled: NMR Spectroscopy for Atomistic Views of Biomembranes and Cell Surfaces.

[Top) Peptidoglycan architecture of helical 4-fold axial symmetry with parallel PG stems (left), and helical 3-fold axial symmetry with antiparallel PG stems (right). The bridges are represented in pink, glycan backbones in brown, and stems in green. The maximum cross-linking possible for the 4-fold axial symmetry model (left) is 100% and for the 3-fold axial symmetry model (right) is 50%. Bottom) Space-filling models of PG architecture. In 4-fold axial symmetry model (left), the glycyl-carbonyl carbons of (Gly)5 (shown in red) are within 5 Å from anomeric carbon of disaccharide (shown in blue), consistent with the CODEX-measured 13C–13C diffusion constraint. In 3-fold axial symmetry model (right), the distances between glycyl-carbonyl carbons to the anomeric carbon exceed 10 Å. The dotted lines connecting the anomeric carbons in 3-fold axial symmetry model show a large pore structure (right), which is absent in 4-fold axial symmetry model (left)].(KIM, CHANG AND SINGH, 2015)

Segundo BASTOS (2012), além dos modelos em camadas e andaime, outras novidades seriam:

a) a presença do periplasma (ou um espaço semelhante ao periplasma) em bactérias Gram positivas e

b) o fato que a fileira formada pelos dissacarídeos repetidos não é contínua e sim interrompida.

Essas fileiras, portanto, podem possuir diferentes tamanhos, o que pode indicar se a parede celular de uma determinada bactéria se encaixa em um modelo ou outro.

Outro fato que às vezes não está muito claro nos livros didáticos é que a camada mais externa de LPS (LipoPolisdacarídeos) praticamente não possui fosfolipídeo, ao contrário da camada mais interna e das membranas plasmáticas. Essa camada (camada externa da membrana externa) possui apenas lipopolissacarídeos.

Todavia, o mais surpreendente sobre esse assunto é o que descobriram sobre a parede de Bacillus subtilis. Os pesquisadores descobriram que as fileiras formadas pelos dissacarídeos nessa bactéria eram muito grandes, bem maior que o comprimento e a largura da célula. Dessa forma, ela não se encaixaria em nenhum dos dois modelos já citados ( camadas e andaime).

Através da microscopia de força atômica eles observaram e concluíram que o peptideoglicano de B. subtilis se enrola sobre ele mesmo e circunda toda a célula, semelhante a uma corda, por isso esse modelo ficou conhecido como “modelo em corda”.

A bactéria Bacillus subtilis, é uma espécie de bactéria gram-positiva, saprófita (se alimlenta de MO em decomposição) 4–10 micrometers (μm) de comprimento e 0.25–1.0 μm de diameter, comum do solo e da água. Organismo esporulado, não patogênico, anaeroóbica facultativa, com muitos flagelos, graças à sua termofilia é utilizado no monitoramento e validação de ciclos de esterilização por calor seco e óxido de etileno. Esta bactéria se destaca no controle de doenças do fitoplano e em pós colheita. É um organismo muito versátil e efetivo na prevenção e controle de doenças causadas por várias espécies de patógenos em diversas culturas. Este microorganismo é conhecido também como rizobactéria promotora do crescimento de plantas (RPCPs). Habita o solo e com frequência é isolada da rizosfera de diversas plantas cultivadas. Além do gênero Bacillus, as RPCPs mais estudadas são: Pseudomonas, Azospirillum e Rhizobium.

A parede celular apresenta açúcares modificados ligados a polipetídeos que envolve a membrana plasmática. Sua principal função é dar forma a bactéria, manter essa forma além de proteção.

Parede celular de uma bactéria Mycobacterium sp

(Fonte: modif. de Wikipedia)

Comparação entre parede celular de uma bactéria

Gram positiva e uma bactéria Gram negativa

Coloração de Gram

O método da coloração de Gram é baseado na capacidade das paredes celulares de bactérias Gram-positivas de reterem o corante cristal violeta no citoplasma durante um tratamento com etanol-acetona enquanto que as paredes celulares de bactérias Gram-negativas não o fazem.

A técnica de Gram, mundialmente conhecida como coloração de Gram, é um método de coloração de bactérias desenvolvido pelo médico dinamarquês Hans Christian Joachim Gram (1853-1938), em 1884, o qual permite diferenciar bactérias com diferentes estruturas de parede celular a partir das colorações que estas adquirem após tratamento com agentes químicos específicos. O método que consiste em tratar sucessivamente um esfregaço bacteriano, fixado pelo calor, com os reagentes cristal violeta, lugol, etanol-acetona e fucsina básica. As bactérias que adquirem a coloração azul violeta são chamadas de gram-positivas e aquelas que adquirem a coloração vermelho são chamadas de gram-negativas. (WP)

A coloração de Gram é um dos mais importantes métodos de coloração utilizados em laboratórios de microbiologia e de análises clínicas, sendo quase sempre o primeiro passo para a caracterização de amostras de bactérias. A técnica tem importância clínica uma vez que muitas das bactérias associadas a infecções são prontamente observadas e caracterizadas como Gram-positivas ou Gram-negativas em esfregaços de pus ou de fluidos orgânicos. Essa informação permite ao clínico monitorar a infecção até que dados de cultura estejam disponíveis. É possível a análise de vários esfregaços por lâmina, o que facilita a comparação de espécimes clínicos. As lâminas podem ser montadas de forma permanente e preservadas como documentação. (provida)

O método consiste no tratamento de uma amostra de uma cultura bacteriana crescida em meio sólido ou líquido, com um corante primário, o cristal violeta, seguido de tratamento com um fixador, o lugol. Tanto bactérias Gram-positivas quanto Gram-negativas absorvem de maneira idêntica o corante primário e o fixador, adquirindo uma coloração violeta devido à formação de um complexo cristal violeta-iodo, insolúvel, em seus citoplasmas. Segue-se um tratamento com um solvente orgânico, o etanol-acetona (1:1 v:v). O solvente dissolve a porção lipídica das membranas externas das bactérias Gram-negativas e o complexo cristal violeta-iodo é removido, descorando as células. Por outro lado, o solvente desidrata as espessas paredes celulares das bactérias Gram-positivas e provoca a contração dos poros do peptidoglicano, tornando-as impermeáveis ao complexo; o corante primário é retido e as células permanecem coradas. A etapa da descoloração é crítica, pois a exposição prolongada ao solvente provoca a remoção do cristal violeta dos dois tipos de bactérias, podendo produzir resultados falsos. A retenção ou não do corante primário é, portanto, dependente das propriedades físicas e químicas das paredes celulares bacterianas tais como espessura, densidade, porosidade e integridade. (provida)

Em seguida, a amostra é tratada com um corante secundário, a fucsina básica. Ao microscópio, as células Gram-positivas aparecerão coradas em violeta escuro e as Gram-negativas em vermelho ou rosa escuro. Células de bactérias Gram-positivas, células velhas, mortas ou com envelopes danificados por agentes físicos ou químicos, tendem a perder o cristal violeta e uma mesma amostra bacteriana pode exibir parte ou todas as células coradas como Gram-negativas. Portanto, o uso de material fresco é importante. Por outro lado, resultados do tipo "falso Gram-positivo" só são obtidos se o tratamento com etanol-acetona for omitido.

Passos da coloração de Gram

(Fonte: provida)

Procedimento

1) Confeccionar o esfregaço;

2) Corar com cristal violeta por 60 segundos;

3) Lavar com esguicho de água destilada;

4) Cobrir com Iodo de Gram ou Lugol por 60 segundos;

5) Lavar com esguicho de água destilada;
6) Descorar com álcool a 95%, ou acetona, 10-20 segundos;
7) Lavar com esguicho de água destilada;
8) Corar com safranina por 60 segundos
9) Lavar com água destilada, secar e observar ao microscópio.

1) Cobrir toda a lâmina com solução cristal violeta (corante roxo), aguardar um minuto;

2) Lavar rapidamente em água destilada;

3) Cobrir a lâmina com solução de Iugol (mordente) por um minuto;

4) Lavar em água destilada;

5) Inclinar a lâmina e gotejar álcool-acetona (cerca de 15 segundos) e lavar a lâmina rapidamente em água corrente;

6) Cobrir com fucsina de gram e aguardar 30 segundos;

7) Lavar a lâmina em água destilada, deixar secar e observar ao microscópio com a objetiva de imersão (100X).

As características estruturais da parede bacteriana estão na base da técnica de Gram que funciona da seguinte forma.(wikipedia, provida)

O primeiro corante (cristal-de-metila) penetra na bactéria assim como o mordente (Soluto de Lugol). Intracelularmente forma-se um complexo corante-iodo, insolúvel em água, que vai corar o protoplasma e a parede celular. A camada de peptidoglicano é maior em bactérias gram positivas, as gram negativas, por sua vez possuem pouco peptidoglicano e são coradas pelo vermelho de safranina.

(O lugol ou solução de Lugol é uma solução de I2 (1%) em equilíbrio com KI (2%) em água destilada. Foi nomeada em honra ao médico francês J. G. A. Lugol. O iodeto de potássio é adicionado para aumentar a solubilidade do iodo por formação do ânion triatômico I3-).

A lavagem com álcool 99,5º GL dissolve o complexo corante-iodo, e se a parede celular for permeável a este, arrasta-o para fora da célula.

As bactérias capazes de preservar a coloração roxa do 1º corante, o violeta de Genciana, designam-se por Gram positivas.

As bactérias que, após a lavagem com álcool-acetona, são incapazes de reter o violeta de Genciana, designam-se por Gram negativas, corando pela fucsina diluída que se fixa apenas nas bactérias Gram-negativas.

Resumindo, as bactérias Gram positivas (Gram+) coram-se de roxo e as Gram negativas (Gram-) coram-se de vermelho.

Esta técnica de coloração permite então a distinção entre bactérias com parede celular mais ou menos rica em peptidoglicanos.

Apesar de que bactérias Gram negativa nunca possam corarem-se positivamente pela coloração de Gram, uma bactéria estruturalmente Gram positiva pode corar negativamente se a sua parede de peptidoglicano for destruída ou danificada (ex. envelhecimento celular ou acção de lisozimas).(WK)

Sobre o lugol

[O lugol é uma solução concentrada de iodeto de potássio que tem mais de 6 miligramas de iodo por gota. Entretanto, a quantidade diária necessária para o organismo humano é de apenas 100 a 250 microgramas, conforme alertam os endocrinologistas da Sociedade Brasileira de Endocrinologia e Metabologia Regional São Paulo (SBEM-SP).

“Estão afirmando nas mídias sociais que temos insuficiência de iodo, sendo recomendado a ingestão do lugol, numa dose de até 9 gotas por dia. E queremos esclarecer que não há estudos que demonstrem que o lugol tenha propriedade de tratamento para câncer, antitumoral, contra fibrose cística e infecções ou qualquer ouro tipo de patologia.

O iodo só é importante para nosso organismo para abastecer a tireoide como uma matéria-prima, para que sejam produzidos os hormônios da tireoide”, afirma o Dr. José Augusto Sgarbi, presidente da SBEM-SP.

Por que precisamos de iodo?

O iodo é um micronutriente muito importante para formação de hormônios da tireoide e, assim, essencial ao nosso organismo. A ingestão do iodo ocorre através da alimentação, porém, como o solo e os alimentos são pobres em iodo, o sal de cozinha é enriquecido com o nutriente para que possamos ter a ingestão adequada às necessidades do nosso organismo para a produção dos hormônios da tireoide. O Ministério da Saúde do Brasil monitora essa quantidade de iodo no sal.

Segundo a Organização Mundial de Saúde, a ingestão adequada de iodo em crianças acima de 6 anos e adultos varia de 100 microgramas a 150 microgramas por dia e, durante a gestação, de 150 a 250 microgramas diariamente. “Essa quantidade ideal pode ser encontrada numa refeição padrão brasileira”, explica Dr. Sgarbi

O médico também ressalta a importância de cada gestante conversar com seu médico, pois, durante a gestação, as necessidades de iodo aumentam em 50% por causa do aumento da produção de hormônios tireoidianos pela mãe afim de suprir o feto de hormônios tireoidianos, fundamentais para o desenvolvimento neurológico da criança. A deficiência de iodo materna ou fetal pode levar à redução de oferta de hormônios tireoidianos nas primeiras 12 semanas da gestação, o que pode causar prejuízos irreversíveis ao desenvolvimento cerebral, com perda cognitiva, redução do QI e até retardo mental. “Mas mesmo que haja necessidade de reposição, ela não deve ser feita com o lugol, pois essa solução tem concentração excessiva de iodo para o ser humano. Existem vitaminas específicas para uso na gestação com a quantidade de iodo adequada”.

Quando há a ingestão excessiva de iodo, ocorre um bloqueio da tireoide e seus mecanismos reguladores, e a produção dos hormônios tireoidianos é interrompida.

“O uso do lugol conforme tem sido espalhado nas redes sociais não deve ser feito de forma alguma”, finaliza o endocrinologista.] (SBMSP).

3) Membrana plasmática
Camada envoltória do citoplasma celular, constituída de fosfolipídeos, proteínas e estruturas como os lipídeos. Na membrana plasmática encontramos diversas proteinas executanto inúmeras funções entre elas as proteinas respiratórias ligadas a membrana.

4) Citoplasma

Líquido de consistência viscosa com presença de enzimas e metabólitos. Grande parte do metabolismo das células bacterianas ocorre no citoplasma.

5) Ribossomos
Os ribossomos bacterianos (procariontes), assim como os ribossomos eucariotos são constituídos RNA + proteínas (constituição Riboproteica).

Os Ribossomos procarióticos ocorrem de forma livre mergulhados no citosol bacteriano.
São menores do que os ribossomos das células dos organismos eucariontes. Estão presentes no citoplasma de forma livre e são numerosos, existindo uma média de 10.000 ribossomos em uma única célula bacteriana.

Há um modelo que explica a evolução da subunidade ribossomal maior, a pequena subunidade ribossomal, tRNA e mRNA. Os ribossomos procarióticos evoluíram em seis fases, adquirindo sequencialmente capacidades para dobramento de RNA, catálise, associação de subunidades, evolução correlacionada, decodificação, translocação orientada por energia e proteinização de sua superfície.

As primeiras seis fases do modelo de acreção da evolução ribossomal. Na Fase 1, os RNAs ancestrais formam alças-tronco e mini-hélices. Na Fase 2, o LSU (subunidade maior) catalisa a condensação de oligômeros não específicos. O SSU (subunidade menor) pode ter uma função de ligação de RNA de fita simples. Na Fase 3, as subunidades se associam, mediadas pela expansão do tRNA de uma mini-hélice para a forma moderna de L. A evolução de LSU e SSU é independente e não correlacionada durante a Fase 1–3. Na Fase 4, a evolução das subunidades é correlacionada. O ribossomo é uma ribozima difusora não codificante na qual o proto-mRNA e a SSU atuam como cofatores de posicionamento. Na Fase 5, o ribossomo se expande para uma máquina de decodificação, translocação e movida a energia. A fase 6 marca a conclusão do núcleo comum com uma superfície proteinizada (no esquema as proteínas são omitidas para maior clareza). O mRNA é mostrado em verde claro. O tRNA do sítio A é magenta, o tRNA do sítio P é ciano e o tRNA do sítio E é verde escuro.

O ribossomo funcional é responsável por garantir a síntese de proteínas, e, quando o complexo é formado, podemos observar quatro sítios de ligação distintos, um sítio na unidade menor e três sítios na unidade maior (sítios P, A e E):

Sítio para ligação da molécula de RNA mensageiro presente na unidade menor.

Sítio P: Nesse local observa-se uma molécula de RNA transportador (RNAt) ligada à cadeia polipeptídica que está se formando.

Sítio A: Nesse local observa-se a presença de RNA transportador carregando o próximo aminoácido, que será ligado à cadeia polipeptídica.

Sítio E: Nesse local de saída, os RNA transportadores descarregados deixam o ribossomo (Petrov e cols, 2015).

Quem quiser poderá ver esse vídeo:

https://www.youtube.com/watch?v=lWX88X1naPk, no youtube

6) DNA

Uma bactéria do tipo Eschericha coli têm entre 2.500 e 3.500 genes em seu cromossomo circular que são responsáveis por todo o funcionamento celular. A identificação exata dos genes essenciais para o desempenho das funções celulares mínimas e construção de um genoma artificial com esses genes é o próximo grande desafio da pesquisa em genética molecular.

O conteúdo de DNA das bactérias geralmente está dividido em dois tipos de estruturas, o cromossomo bacteriano ou nucleóide e os plasmídeos.

Essas estruturas não são formadas apenas por DNA, existe associação com proteínas (que garantem dobramento e níveis de condensação adequados). Quando comparadas com as interações DNA-proteínas que existem nos cromossomos eucariontes, o dobramento do cromossomo bacteriano é mais simples.

Cromossomo Bacteriano

1) Contem os genes que codificam para proteínas essenciais para o funcionamento da célula.

2) Geralmente é uma estrutura única e circular, formada por uma molécula de DNA que fica presa á parte interna da membrana plasmática (o mesossomo);

3) Possui poucas regiões que não são genes (poucas regiões não codificantes);

5) Não contém genes interrompidos (são poucas exceções os genes com íntrons)

Plasmídeos

1) Moléculas de DNA circulares e pequenas que ficam livres no citoplasma;

2) Contêm genes que codificam para proteínas relacionadas com vantagens adaptativas como resistência a antibióticos e capacidade de degradar moléculas que eventualmente apareçam no meio;

3) Geralmente cada célula tem vários plasmídeos (iguais ou diferentes);

4) Podem ser transferidos horizontalmente (sem ser por reprodução).

7) Fimbrias ou Pili e Flagelos

As fímbrias, também chamadas de pili, são composições formadas por filamentos, onde estão ligadas à função de aderência, e conjugação, pois transportam material genético. Os flagelos são composições filiformes utilizados na mobilidade da bactéria. Estão presos na membrana plasmática pelo corpo basal.

8. Nutrição
Heterotrófica e autotrófica (veja o esquema)

As bactérias decompositoras não decompõem somente corpos ou carcaças de organismos vivos, mas também dejetos e secreções como urina, fezes, matéria orgânica em geral, são processados por bactérias. Estes organismos degradam a matéria orgânica em moléculas simples que são liberadas no ambiente e podem ser novamente utilizadas por outros seres vivos. Assimi, elas atuam na reciclagem de nutrientes importantes para outros organismos.

As bactérias de tipo selvagem são prototróficas, i.e., conseguem sintetizar tudo de que necessitam para se multiplicar e se reproduzir quando têm uma fonte de energia e algumas moléculas inorgânicas.

As bactérias mutantes auxotróficas necessitam de outros metabólitos para seu desenvolvimento.

NUTRIÇÃO

SAPRÓFITAS

DECOMPOSITORAS

FOTOSSINTETIZANTES

Quando pensamos em fotossíntese, logo lembramos que um dos seus produtos é o oxigênio, certo? Afinal, sem o processo fotossintético, o oxigênio não completaria seu ciclo voltando para a atmosfera e, nós e os outros seres aeróbios, morreríamos sufocados. (blogdoenem)

Porém, em algumas espécies de bactérias autótrofas pode ocorrer o processo fotossintético um pouco diferente da fotossíntese que ocorre em cianobactérias e eucariontes, como protistas e plantas. Este processo diferenciado de fotossíntese ocorre em bactérias extremófilas (que vivem em condições extremas em que outros seres vivos não sobreviveriam), como as bactérias verdes sulfurosas e as púrpuras.(blogdoenem)

Chlorobium tepidum é uma bactéria anaeróbia fototrófica que também é termófila. Como membro da família Chlorobiaceae, é um organismo modelo de bactérias verdes sulfurosas. Os habitats dessa bactéria incluem águas anóxicas e ricas em sulfetoS, lama, sedimentos, esteiras microbianas e até mesmo consórcios microbianos. As células desta bactéria são bastonetes gram-negativos não móveis de comprimentos variados que fotooxidam compostos de enxofre reduzido.

C. tepidum foi isolado de certas fontes termais ácidas de alto sulfeto da Nova Zelândia. Em condições fotoautotróficas, a taxa de crescimento desta bactéria é mais rápida do que qualquer outro fototrófico anaeróbico, pois as gerações são produzidas a cada duas horas. Consequentemente, é um candidato ideal para estudar a fotossíntese e autotrofia em bactérias verdes.

Fig. 1 a, b. Phase contrast photomicrographs of cells of Chlorobium tepidum strains a TLS and b S. PTE.-I Cultures were grown at 47C for 48 h at 5400 lux. Marker bar = 5 gm. (WOESE, CASTENHOLZ, MARDIGAN, 1991)

Micrografia eletrônica de varredura (MEV) de Chlorobium tepidum, bactéria Gram-negativa, termofílico, autotrófico obrigatório, sulphur green bacteria. As espécies de Chlorobium crescem em tapetes densos sobre fontes termais e outras águas ricas em sulfeto, lama e sedimentos. C. tepidum é uma bactéria autotrófica que utiliza fotossíntese anoxigênica (não produz oxigênio) e produz enxofre elementar como produto residual. Além disso, pode fotooxidar o hidrogênio, bem como outros compostos de enxofre, como sulfeto, polissulfeto e tiossulfato.

C. tepidum tem complexos especiais de coleta de luz chamados clorossomos que contêm bacterioclorofilas e carotenóides. C. tepidum também tem a capacidade de fixar o nitrogênio atmosférico. A utilização de compostos de nitrogênio e enxofre por Chlorobium tepidum também é importante nos ciclos globais de ambos os nutrientes. Ampliação: x2.600 quando o eixo mais curto é impresso em 25 milímetros. (Credit DENNIS KUNKEL MICROSCOPY / SCIENCE PHOTO BIBLIOTECA).

Durante a fotossíntese, estas bactérias não utilizam água, mas sim gás sulfídrico (H2S), liberando enxofre em vez de oxigênio. Lembre-se de que durante a fotossíntese comum, o oxigênio gasoso liberado na fase clara é proveniente da fotólise da água.(blogdoenem)

Neste caso, como a água não é utilizada como reagente desta reação de fotossíntese, não será liberado oxigênio. Estas bactérias possuem clorofilas especiais chamadas de bacterioclorofilas que possuem composição diferente da clorofila das plantas. Veja a seguir a equação da quimiossíntese, da Fotossíntese bacteriana:

Comparação do espectro de absorção da clorofila (curva verde) e da bacterioclorofila (curva azul) (COGDELL, GARDINER AND CRONIN, 2014)

As bacterioclorofilas são pigmentos fotossintéticos que ocorrem em várias bactérias fototróficas. São relacionadas com as clorofilas, pigmentos principais nas plantas, algas e cianobactérias. Os grupos que contêm bacterioclorofila realizam fotossíntese, mas não produzem oxigénio. Usam comprimentos de onda que não são absorvidos em plantas. Diferentes grupos possuem diferentes tipos de bacterioclorofilas:

Bacterioclorofila a Bactérias purpuras

Bacterioclorofila b Bactérias purpuras

Bacterioclorofila c Bactérias verdes sulfurosas, Chloroflexi

Bacterioclorofila d Bactérias verdes sulfurosas

Bacterioclorofila e Bactérias verdes sulfurosas

Bacterioclorofila g Heliobactérias

As bacterioclorofilas c e d são clorinas, com um anel pirrol reduzido, e as outras são bacterioclorinas, com dois anéis.

Chlorobium tepidum, também conhecida como bactéria verde sulfurosa, é uma espécie de bactéria autotrófica, que possui pigmentos verdes (bacterioclorofila C) agregados numa forma espacial diferente das plantas e são necessários para captar a energia solar. Estes agregados são extremamente eficientes na captação e transmissão da energia luminosa.

A sulfobactéria verde é uma bactéria termófila modelo. Estas bactérias usam compostos reduzidos de enxofre, tal como o sulfato, durante a fotossíntese como fornecedor de potencial redutor e não a água.Neste tipo de bactérias o dióxido de carbono não é fixado pela rubisco no ciclo de Calvin que não possuem, mas sim, no ciclo do ácido acético invertido ou ciclo de Krebs invertido.

QUIMIOSSINTETIZANTES

Assim como a fotossíntese, a quimiossíntese é um processo autotrófico de conversão de moléculas de carbono, como dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4), em matéria orgânica que será utilizada como alimento pelo organismo.

Porém, no lugar da energia luminosa, as reações que compõem a quimiossíntese utilizam a energia liberada pela oxidação de determinadas moléculas inorgânicas. Esta energia esta armazenada nas ligações covalentes dos compostos que serão oxidados. Essa fonte de energia vem de moléculas contendo elementos como enxofre (S), hidrogênio (H), nitrogênio (N), manganês (Mg) ou ferro (Fe).

Os organismos quimiossintetizantes incluem bactérias e arqueobactérias que vivem em ambientes carentes de luz.

Uma das reações de quimiossíntese mais conhecidas vem de bactérias que utilizam sulfeto de hidrogênio (H2S) como uma fonte de energia, funcionando como base de diversas cadeias alimentares de áreas próximas a fontes termais submarinas. Essas bactérias existem como organismos vivos livres ou formam relações de simbiose com outros organismos dessa região. Um bom exemplo dessas relações é o caso dos poliquetas conhecidos como pogonóforos. Esses animais são anelídeos que formam tubos verticais próximos a fontes termais no fundo dos oceanos e se associam a bactérias quimiossintetizantes, que vivem em um órgão do sistema digestivo do poliqueta. Estas bactérias produzem glicose (C6H12O6) a partir da oxidação do sulfeto de hidrogênio liberado pelas fontes termais, proporcionando assim uma fonte de alimento tanto para si quanto para o hospedeiro pogonóforo. A equação geral do processo de quimiossíntese utilizando sulfeto de hidrogênio é a seguinte:

12 H2S + 6 CO2 = C6H12O6 + 6 H2O + 12 S

Ao observar-se a reação acima, percebrmos a semelhança com a reação que produz glicose através da fotossíntese, exceto o fato que a fotossíntese libera gás oxigênio, enquanto a quimiossíntese produz enxofre sólido. Os grânulos de enxofre amarelo são visíveis no citoplasma de bactérias que realizam a reação.

Além dessa, bactérias que vivem no solo no ambiente terrestre também são capazes de realizar quimiossíntese, sendo mais conhecidas as que utilizam compostos de nitrogênio como fonte de energia. Essas bactérias são chamadas de nitrobactérias e pertencem aos gêneros Nitrosomonas e Nitrobacter, sendo essenciais no ciclo do nitrogênio em nosso planeta (infoescola).

As bactérias do gênero Nitrosomonas oxidam a amônia (NH3) presente no solo, transformando-o em íon nitrito (NO2–) e liberando energia.

Em seguida, essa energia é utilizada para a produção de glicose a partir do gás carbônico dissolvido na àgua. A seguir estão as equações gerais das reações de quimiossíntese realizadas pelas Nitrosomonas:

2 NH3 + 3 O2 = 2 NO2– + 2 H2O + 2H+ + Energia

6 CO2 + 6 H2O + Energia = C6H12O6 + 6 O2

As bactérias do gênero Nitrobacter, por sua vez, oxidam o íon nitrito (NO2–) transformando-o em íon nitrato (NO3–) em uma reação que também libera energia.

Da mesma forma que as Nitrossomonas, as Nitrobacter utilizam essa energia para produzir moléculas orgânicas de glicose a partir do CO2, seguindo as seguintes reações:

2 NO2– + O2 = 2 NO3– + Energia

6 CO2 + 6 H2O + Energia = C6H12O6 + 6 O2

7. Papel das bactérias

Bactérias são igual a doenças? Normalmente pensamos em patogenias quando ouvimos a palavra bactéria. No entanto, bactérias que causam doenças são uma pequena parte das Eubactérias. As bactérias são importantíssimas e essenciais para a manutenção da vida em nosso planeta, uma vez que desempenham o papel de decompositores em todos os ecossistemas, estando portanto na base de todos os ecossistemas existentes.

Foram os primeiros seres vivos a aparecer em nosso planeta por volta de 3,8 bilhões de anos atrás e os primeiros organismos a produzir e liberar oxigênio, reduzindo a concentração de gás carbônico na atmosfera. Um fato inegável é que cloroplastos e mitocôndrias são bactérias que em eventos de endosimbiose "produziram" a célula eucariota ao invadir uma protocélula.

As bactérias tem papel essencial no ambiente como saprófitas (seres vivos que se nutrem de matéria orgânica em decomposição) e decompositores (que promovem ativamente a deconposição da matéria orgânica; ambas promovendo a ciclagem dos nutrientes (reciclagem da matéria orgânica). Com isso, os nutrientes como N2, CO2, Po4, K, Ca, Zn etc, voltam para os seu respectivos ciclos biogeoquímicos, possibilitando seu uso por outros organismos.

Ciclo do carbono

Ciclo do Nitrogênio

O Nitrogênio é um elemento químico com símbolo N, número atómico 7 e de massa atómica 14,00674 u (7 prótons e 7 neutrons, com adição da pequena massa dos 7 elétrons), representado no grupo 7 da tabela periódica. Esse gás foi descoberto pelo médico escocês Daniel Rutherford em 1772, como componente separável do ar. Em condições normais forma um gás diatómico (N2), incolor, inodoro, insípido e principalmente inerte, não participando da combustão e nem da respiração, todavia pode formar bolhas no sangue sob pressão intensa (volta a forma de gás). O grupo do nitrogênio é o décimo quinto (15) grupo da tabela periódica, como todos os elementos dessa família, possui 5 elétrons na camada de valência. Eles são ocasionalmente chamados de pnicogênios ou pnigogênicos, palavra derivadas do grego ( πνῑ́γω, pnigo: sufocar; e Γέν, gén: generar ) que significam "sufocar". No grupo há uma transição clara do caráter não metálico para metálico quando se percorre a família de cima para baixo.

Complete a sua tabela periódica

O nitrogênio é indispensável à vida, uma vez que entra na constituição dos aminoácidos, proteínas, nas bases nitrogenadas que constituem os ácidos nucléicos.

Admite-se, que o corpo humano seja constituído de 16% de proteínas. A mais importante fonte de nitrogênio para todos os seres vivos é a atmosfera.

O nitrogênio constitui cerca de 75 a 78% do volume do ar atmosférico, na forma de N2. Todavia, a maioria dos seres vivos é incapaz de aproveitá-lo, em seu metabolismo, na forma em que se encontra na atmosfera; necessitando de um intermediário para fornecer esse gás na forma que possa ser absorvido e usados pelos tecidos vivos. O N2 atmosférico necessita ser fixado na forma de NH3, NO2, NO3 para que possa ser absorvido pelas raízes das plantas e então disponibilizados para os herbívoros e no corpo destes para os carnívoros. Assim, no ciclo do nitrogênio participam bactérias fixadoras, algas verde-azuladas (cianofíceas) e fungos.

Mesmo que todos os organismos possuam nitrogênio em seus tecidos e necessitem desse elemento químico, nenhum ser vivo excetuando as Eubactérias são capazes de usá-lo na forma em que se encontra na atmosfera, ou seja em sua forma molecular N2.

Algumas espécies de bactérias são capazes de absorver o N2 e utilizá-lo como fonte de energia, incorporando os átomos de nitrogênio em suas moléculas orgânicas e disponibilizando-o em outras formas moleculares para o uso de diversas espécies. A esse processo de incorporação de nitrogênio em moléculas orgânicas a partir do N2 dá-se o nome de fixação do nitrogênio, sendo uma etapa essencial do ciclo do nitrogênio. Da mesma forma, as bactérias que realizam a fixação são chamadas de fixadoras de nitrogênio.

Elas podem ter vida livre como é o caso das cianobactérias, ou viver em simbiose com outros organismos.

Ciclo do nitrogênio (britanica)

A oxidação microbiana da amônia (ou amônio) via nitrito em nitrato é uma etapa central no ciclo do nitrogênio. Este processo, chamado nitrificação, foi pensado para envolver duas etapas separadas mediadas por microrganismos distintos: a oxidação inicial da amônia a nitrito, que é catalisada por microrganismos oxidantes de amônia (AOMs; incluindo bactérias (AOB) ou arquéias (AOA)); seguido pela oxidação de nitrito a nitrato, que é catalisada por bactérias oxidantes de nitrito (NOB).

Bactérias associadas ao ciclo do nitrogênio (profpc).

Simbiose entre Rhizobium e plantas

Essa interação constiúi uma interação complexa e específica entre as bactérias do solo pertencentes aos gêneros Rhizobium, Sinorhizobium, Mesorhizobium, Phylorhizobium, Bradyrhizobium e Azorhizobium, comumente conhecidos como rizóbios, e suas plantas hospedeiras resultam no desenvolvimento de nódulos radiculares.

TEM micrograph of three Rhizobium leguminosarum bv. trifolii CC275e cells. The length of the bar = 1 µm. (Delestre et all, 2015).

Imagens de Rhizobium leguminosarum bv. viciae cepa GB30 usando microscopia eletrônica de varredura (esquerda) e transmissão (centro) e a aparência morfológica da colônia em meio sólido ½LA (direita) (Mazur et all, 2015)

Genome sequence of the clover symbiont

Rhizobium leguminosarum bv. trifolii strain

CC27

Nódulos são novos órgãos que consistem principalmente de células infectadas das plantas com bacteróides que provovem a fixação do nitrogênio. Dentro dos nódulos, as bactérias assumem uma forma endosimbiótica, os bacteróides, que são capazes de reduzir o nitrogênio atmosférico à amônia (BROUGHTON et al., 2006).

Como a amônia é tóxica para a planta, ela é rapidamente convertida a amidas e/ou ureídos, que podem ser usados pela planta hospedeira para sua nutrição.

A iniciação da formação dos nódulos é controlada em vários níveis: as raízes das plantas excretam vários flavonóides, alguns dos quais necessários para ativar a expressão de genes reguladores da nodulação, particularmente as proteínas NodD (PERRET et al., 2000). O complexo NodD-flavonoides interage com uma região promotora conservada (nod boxes) que está localizada após a maioria dos genes nod no genoma da bactéria.

Fatores determinantes da nodulação em Rhizobium spp NGR234 induzidos por flavonóides. (A) Flavonóides excretados pelas raizes ativam a expressão de genes do rizóbio requeridos para o processso de nodulação (nod, nol, e noe). (B) Fatores Nod são lipo-quito-oligossacarídeos modificados como os β-1,4-oligomeros conectados de N-acetil-D-glucosamina, com um ácido graxo subtiuindo o grupo N-acetil em suas terminações não redutoras. (BROUGHTON et alii, 2004, citado por Santos & Reis, 2008).

A transcrição desses genes acontece e e o produto enzimático dos genes nod leva a síntese e secreção de fatores Nod (lipo-quito-oligossacarídeos) (BROUGHTON et al., 2006). Um controle fino da transcrição dos genes nod está provavelmente relacionado à variações na seqüência das regiões conservadas nos promotores nod, individualmente (FREIBERG et al., 1997).

Outros produtos do rizóbio são necessários para continuidade do desenvolvimento do cordão de infecção, e estes representam um terceiro conjunto de sinais. Embora seja claro que os fatores Nod permitem ao rizóbio penetrar nas raízes das leguminosas, outros carboidratos bem como proteínas são necessários para o desenvolvimento do cordão de infecção e e as subseqüentes etapas da formação do nódulo nas raízes. (SANTOS E REIS, 2008).

Nesta figura podemos notar dois nódulos coletados em raízes de Favas,

Vicia faba L. 1753, que foram cortados e corados com Cristal violeta,

que como sabemos cora indiscriminadamente todas as bactérias.

(UMAR, 2001)

Nessas duas figuras acima as células grandes são fortemente invadidas por bactérias do gênero Rhizobium e às vezes também podem apresentar vacúolos citoplasmáticos grandes. (UMAR, 2001)

A metade esquerda da imagem acima ilustra essas grandes células preenchidas por bactérias do gênero Rhizobium. Observe que os núcleos também estão aumentados e até mesmo os nucléolos (envolvidos por um halo) são visivelmente proeminentes. No lado direito da imagem, vemos células da plantas vacuoladas e uma ilha microscópica de células de meristema que podem dar origem a um novo ramo de raiz. Esta imagem foi obtida usando uma objetiva de 25x.

(UMAR, 2001)

Imagem obtida usando uma Objetiva de 40X.

(UMAR, 2001)

As imagens a seguir correspondem a ampliações maiores dessas células invadidas pela bactéria do gênero Rhizobium. Essa bactéria têm 1 a 2 µm de comprimento e 0,1 µm de diâmetro.

Observe que as bactérias são mostradas nas imagens como uma massa invasiva cinza azulada e não podem ser resolvidas, exceto na maior ampliação. Algumas das células foram coradas apenas com Hematoxilina (uma coloração universalmente reconhecida, bastante específica, para ácido nucleico e núcleos) enquanto outras foram coradas com cristal violeta. (UMAR, 2001)

Esta imagem foi obtida usando uma objetiva com ampliação de 40X e uma ocular de 1,6 X. As células preenchidas com bactérias possuem um tamanho entre 100 e 200 µm. Células coradas com cristal violeta.(UMAR, 2001).

Note que todo o citoplasmas de todas as células da planta estão

cheias de bactérias (coradas com uma cor violeta acinzentado).

(UMAR, 2001)

Células de fava coradas com cristal violeta

(UMAR, 2001).

Como podemos observar torna-se claro que essas bactérias do gênero Rhizobium vivem principalmente no interior das células (simbiose intracelular).

Observe que não apenas alguns tipos de bactérias são intracelulares, mas todos os vírus vivem e se replicam dentro das células vivas. Eles são então corretamente chamados de "parasitas intracelulares obrigatórios", como já vimos em nossas aulas de Virologia.

Elas são capazes de alterar processos metabólicos e moleculares nas células e causar aumento celular. Os nódulos formados por esta proliferação bacteriana existem ao lado e dentro do sistema de raízes em crescimento das plantas hospedeiras. Essas formas tumorais são certamente estruturas benignas e mutuamente úteis, conduzindo a uma maior fixação de N2 e conversão deste em amônia para as plantas hospedeiras. Os nódulos rizobianos são o resultado de uma evolução longa e seletiva, um bom exemplo de convivência com benefícios mútuos.

FIXAÇÃO BIOLÓGICA DO NITROGÊNIO

OU BIOFIXAÇÃO

O nitrogênio está presente em diversas formas na biosfera. A atmosfera contém uma vasta quantidade, cerca de 78% por volume, é composto de nitrogênio molecular (N2). Entretanto, essa grande quantidade não está diretamente disponível para os organismos vivos. A obtenção de nitrogênio da atmosfera requer quebra de uma ligação tripla covalente de excepcional estabilidade, ou seja, é uma ligação de grande energia, entre os dois átomos de nitrogênio (como apresentado na figura abaixo) para produzir amônia ou nitrato. Tais reações, conhecidas como fixação do nitrogênio, podem ser obtidas por processo natura como em relâmpagos e vulcões e industrial com grande gasto de energia e ainda por processo natural ou ação biológica, sem nenhum gasto.

Nitrogênio molecular

O grande reservatório de nitrogênio é a atmosfera terrestre. Embora a atmosfera seja constituída por 78% de nitrogênio (N2) (RAVEN, EVERT E EICHORN, 2007) a maioria dos seres vivos não tem a capacidade de usar diretamente esse elemento da atmosfera para produzir seus aminoácidos e outras substancias orgânicas. Esses organismos são dependentes de compostos nitrogenados mais reativos, como o amônio e o nitrato, presentes no solo. Infelizmente, esses compostos não são tão abundantes como o nitrogênio gasoso. Por isso, embora seja abundante, na atmosfera, a escassez de nitrogênio é frequentemente o principal fator limitante do crescimento das plantas.

O processo pelo qual essa limitada quantidade de nitrogênio circula e recircula por todos os organismos vivos é conhecido como o ciclo do nitrogênio.

(Fonte: beduka)

(Fonte: modificado de guiaestudo)

(Fonte: Translated and slightly modified by Pedro Spoladore,

based on image by Johann Dréo, WP)

Ciclo do nitrogênio (Fonte: modif. de ilsabrasil, 2020)

Grande parte do nitrogênio do solo é derivada de organismos mortos e esta sob a forma de materiais orgânicos complexos, como proteínas, aminoácidos, ácidos nucleicos e nucleotídeos. Essas substâncias nitrogenadas são normalmente quebradas rapidamente em compostos simples por bactérias saprófitas e por vários fungos presentes no solo. Esses organismos incorporam o nitrogênio em aminoácidos e proteínas e liberam o excesso sob a forma de íons amônio NH4+ por meio do processo denominado amonificação ou mineralização do nitrogênio. Em meio alcalino, o nitrogênio pode ser convertido em gás amônia (NH3), mas essa conversão ocorre naturalmente apenas durante a decomposição de grandes quantidades de material rico em nitrogênio, como em um monte de esterco ou em uma pilha de compostos ou de resíduos orgânicos em contato com o ar atmosférico. No solo a amônia produzida pelo processo de amonificação é dissolvida na água onde se combina com prótons para formar o íon amônio. Em alguns ecossistemas o íon amônio não é rapidamente oxidado, permanecendo no solo. As plantas que crescem nesse solo são capazes de absorver o NH4+ e usá-lo na síntese de proteína vegetal.

Em alguns solos as bactérias nitrificantes convertem o amônio em nitrito e depois em nitrato

Várias espécies comuns do solo são capazes de oxidar a amônia ou íons amônio. A oxidação da amônia ou nitrificação é um processo que libera energia, e a energia liberada é usada por essas bactérias para reduzir o CO2 (dióxido de carbono), e usá-lo para produzir compostos orgânicos pela bactéria, essas bacaterias são conhecidas como autotróficas quimiossintetizantes.

A bactéria quimiossintetizante e nitrificante Nitosomonas é responsável pela oxidação da amônia a íons nitritro (NO2-):

2NH4+ + 3H2O = 2NO2- + 4H+ + 2H2O

O nitrito é tóxico para as plantas, mas ele raramente se acumula no solo. Nitrobacter, outro gênero de bactérias, oxida o nitrito para formar íons nitrato (NO3+) novamente com liberação de energia:

2NO2- + O2 = 2NO3-

Devido à nitrificação, o nitrato é a forma na qual todo o nitrogênio é absorvido pela maioria das plantas que crescem em terra seca, onde a nitrifacação é é muito favorescida pelas práticas de aração, que oxigenam o solo. A maioria dos fertilizantes nitrogenados usados comercialmente contém tanto íons amônio (NH4+) quanto a uréia, a qual libera NH4+ nos solos. O NH4+ é convertido para NO3- pela nitrificação.

O sistema solo-planta, além de reciclar o nitrogênio, tambem perde esse elemento

A principal perda de nitrogênio no sistema solo-planta ocorre pela desnitrificação, um processo anaeróbico no qual o nitrato é reduzido a formas voláteis de N, como o gás nitrogênio gasoso (N2) e o óxido nitroso (N2O) os quais retornam à atmosfera. Esse processo é executado por numerosos microrganismos. Sabe-se de longa data, que são necessárias condições de baixa concentração de oxigênio para a desnitrificação, característica presente em solos encharcados e outros habitats, como pântanos e brejos. Os pesquisadores agora observaram que esta condição existe dentro dos agregados do solo, mesmo na ausência de água excessiva. Em conseqüência disso a desnitrificação é um processo quase universal nos solos. Um suprimento de material orgânico fresco e pronto para ser decomposto fornece a fonte de energia requerida pelas bactérias desnitrificantes, e, se outras condições são apropriadas, há promoção da desnitrificação. A falta de uma fonte de energia permite o aumento da concentração de nitratos na água do solo até níveis altos. O nitrogênio também é perdido em um ecossistema devido à remoção de plantas (na colheita), à erosão, à destruição da cobertura vegetal pelo foto e à lixiviação. Os nitratos e os nitritos são ânions particularmente susceptíveis de serem retirados da zona radicular pela água que percola o solo.

FIXAÇÃO

A reposição do nitrogênio ocorre principalmente pela sua fixação

Se o nitrogênio que é é removido do solo não fosse constantemente reposto, praticamente toda a vida neste planeta desapareceria aos poucos.

O nitrogênio é reposto no solo principalmente pela sua fixação. Uma quantidade muito menor é adicionada pela precipitação atmosférica (raios de tempestades) e pelo intemperismo de rochas.

A fixação do nitrogênio é o processo pelo qual o N2, atmosférico é reduzido a NH4+ e assim fica disponível para ser transferido para compostos contendo carbono para produzir aminoácidos e outras substâncias orgânicas contendo nitrogênio.

A fixação de nitrogênio, que pode ser executada somente por certas bactérias, é um processo do qual todos os organismos vivos são dependentes, da mesma forma como a maioria dos organismos é dependente da fotossíntese como fonte de sua energia.

A enzima que catalisa a fixação do nitrogênio é chamada nitrogenase. Esta enzima é similar em todos os organismos dos quais foi isolada. A nitrogenase contém grupos prostéticos de molibdênio, ferro e sulfato, e por isso esses elementos são essenciais para a a fixação do nitrogênio.

A nitrogenase também utiliza grandes quantidades de ATP como fonte de energia, tornando a fixação do nitrogênio um processo metabólico caro.

As bactérias fixadoras de nitrogênio podem ser classificadas de acordo com seu modo de nutrição: aquelas que são de vida livre (não-simbióticas) e aquelas que vivem em associação simbiótica com determinadas plantas vasculares.

As bactérias fixadoras de nitrogênio mais eficientes formam associações simbióticas com as plantas

Das duas classes de organismos fixadores de nitrogênio, as bactérias simbióticas constituem, de longe, a mais importante em termos da quantidade total de nitrogênio fixado. As bactérias fixadoras de nitrogênio mais comuns são Rhizobium e Bradyrhizobium, as quais penetram nas raízes de leguminosas como alfafa (Medicago sativa), trevos (Trifolium spp), ervilha (Pisum sativum), soja (Glycine max) e diversos tipos de feijão (Phaseolus spp).

Fixadores de nitrogênio

(Fonte: nutriçãodeplantas)

Na associação simbiótica entre as bactérias e as leguminosas, as bactérias suprem a planta com uma forma de nitrogênio que pode ser usada na síntese das proteínas. A planta, por sua vez, supre as bactérias com uma fonte de energia para sua atividade de fixação de nitrogênio e com moléculas que contêm carbono, as quais são necessárias para a produção de compostos nitrogenados.

Os efeitos benéficos no solo promovidos pelo crescimento de plantas leguminosas têm sido observados por séculos. Teofrasto, que viveu no terceiro século a. C., escreveu que os gregos usavam a fava (Vicia faba) para enriquecer os solos.

Na agricultura moderna, é prática comum fazer a rotação de uma planta cultivada não-leguminosa, como por exemplo O milho (Zea mays), e uma leguminosa, como a alfafa, ou milho com a soja ou ainda trigo (Triticum sp). As plantas leguminosas são então colhidas para feno, deixando para trás as raízes ricas em nitrogênio, ou, ainda melhor, as plantas inteiras são simplesmente incorporadas ao solo.

Uma plantação de alfafa que é incorporada de volta ao solo pode adicionar em torno de 300 a 350 quilogramas de nitrogênio por hectare. Em uma estimativa modesta é adicionada à superfície da Terra, a cada ano, 150 a 200 milhões de toneladas de nitrogênio fixado por esses sistemas biológicos.

Nódulos

Nódulos São Produzidos pela Raiz da Planta Hospedeira no Local de Infecção das Bactérias

As bactérias Rhizobium e Bradyrhizobium, comumente chamadas rizóbios, entram nos pêlos radiculares de plantas leguminosas quando estas estão ainda no estágio de plântulas.

O estabelecimento da simbiose entre Bradyrhizobium japonicum e a soja (Glycine max) para a fixação de nitrogênio começa com a ligação dos rizóbios aos pêlos radiculares emergentes, em resposta a atraentes químicos liberados do pêlo radicular (produzidos e liberados pelos pêlos da raiz). Os pêlos radiculares tipicamente transformam-se m estruturas curvadas que aprisionam os rizóbios.

A entrada de rizóbios nos pêlos radiculares e nas células corticais subjacentes ocorre através da formação dos canais de infecção, que são estruturas tubulares formadas pelo crescimento intrusivo e progressivo da parede das células dos pêlos radiculares, a partir do sítio de penetração.

Um único pêlo radicular pode ser penetrado por muitos rizóbios e por isso conter vários canais de infecção. O simbionte bacteriano também induz divisão celular em determinadas regiões do córtex, entrando nessas regiões através do crescimento e da ramificação do canal de infecção. Os rizóbios que estão no canal de infecção são liberados com um envoltório derivado da membrana plasmática da célula hospedeira. Quando os rizóbios aumentam de tamanho e tornam-se realmente fixadores de nitrogênio, são chamados de bacterióides.

A proliferação contínua tanto dos bacterióides como das células corticais da raiz resulta na formação de crescimentos tumorais conhecidos como nódulos. Os processos de infecção e formação do nódulo nas raízes de outras leguminosas são aparentemente similares aos da soja. (RAVEN, EVERT E EICHORN, 2007).

Os nódulos radiculares das leguminosas consistem anatomicamente em um córtex relativamente fino que margeia uma grande zona central, contendo células infectadas ou não por bacterióides. Os fixes vasculares que se estendem a partir do ponto de junção do nódulo com a raiz ocorrem no córtex interno. Na soja, tanto células infectadas quanto não-infectadas participam na produção de ureídeos (derivados de uréia), o produto final da fixação de nitrogênio que é exportado do nódulo para a planta.

Outras leguminosas produzem composts nitrogenados diferentes, sendo um dos mais comuns o aminoácido asparagina. A concentração de O2, nas células infectadas pelos bacterióides deve ser cuidadosamente regulada, já que o O2, é um potente inibidor irreversível da enzima nitrogenase.

Ao mesmo tempo, o O2 (oxigênio) é necessário à respiração aeróbica, sendo importante para suprir o ATP demandado pela nitrogenase e por outras atividades metabólicas tanto na bactéria quanto nas células vegetais.

A regulação do O2, é realizada, em grande parte, pela presença de uma proteína heme que se liga ao oxigênio, a leg-hemoglobina. Esta proteína é encontrada em concentrações elevadas no citossol (citoplasma) das células infectadas e confere uma cor rosada à região central do nódulo, sendo produzida parcialmente pelo bacterióide (porção heme) e e parcialmente pela planta (porção globina).

Acredita-se que a a leg-hemoglobina tampona a concentração de O2 dentro do nódulo, permitindo a a respiração sem que ocorra a inibição da enzima nitrogenase. A leg-hemoglobina também atua como transportadora de O2; facilitando a difusão deste gás para os bacterióides.

Etapas

Amonificação ou Amonização

A primeira etapa do ciclo do nitrogênio, a fixação biológica, ocorre através de um processo enzimático, onde o nitrogênio atmosférico (N2) é reduzido à amônia (NH3), por intermédio da ação de microrganismos de vida livre, simbióticos ou associados aos vegetais, como mostra a equação química abaixo:

N2 + 8e– +8H++16ATP → Nitrogenase → 2NH3 +H2 +16ADP+16Pi

De acordo com Vieira (2017), a fixação do nitrogênio atmosférico está relacionado à presença da ligação covalente tripla entre as moléculas, o que torna este gás altamente estável em temperatura ambiente.

O rompimento desta tripla ligação pelos microrganismos (quimiosintetizantes nitrificantes) do solo requer a presença da enzima nitrogenase (sintetizada pelas bactérias, cujo gene esta num plasmidio em Rhizobium e no próprio cromossomo bacteriano em Bradyrhizobium), além de ATP. Essa enzima requer minerais como molibdênio, ferro e sulfatos para seu funcionamento, pois possui grupos prostéticos de molibdênio, ferro e sulfato em sua estrutura, motivo pelo qual esses organismos devem ser fronecidos ao soo caso sua concentração seja baixa.

Os microrganismos fixadores de N2 podem existir como organismos de vida livre e em associações com diferentes graus de complexidade com as plantas. Estes microrganismos podem ser divididos em:

1. Fixadores não-simbióticos ou de vida livre;

2. Fixadores associativos, que formam uma relação casual e pobremente estruturada com raízes ou porções aéreas das plantas; e

3. Fixadores simbióticos que fixam o N2 em associações organizadas com plantas superiores (RAVEN, EVERT & EICHORN, 2007, VIEIRA, 2017).

Dentre os fixadores simbióticos, existem alguns gêneros de bactérias que se destacam por sua eficiência e especificidade com plantas leguminosas, os chamados rizóbios, tais como:

Rhizobium,

Sinorhizobium (Ensifer),

Mesorhizobium,

Azorhizobium e

Bradyrhizobium.

Para que a simbiose ocorra, alguns fatores são determinantes, como disponibilidade de nutrientes (fósforo, cobalto, molibdênio, níquel), pH do solo (se baixo, pode inibir a ação das bactérias), temperatura e regime hídrico adequado.

Nitrificação

A nitrificação consiste na oxidação do amônio (NH4+) a nitrato (NO3–), onde as bactérias nitrificantes utilizam a amônia como fonte de energia e o dióxido de carbono (CO2) como fonte de carbono (NANES, 2017). Este processo ocorre apenas na presença de oxigênio, por ser realizado por bactérias aeróbias. Esta etapa se divide em duas partes, como demonstram as equações químicas a seguir:

Nitrosação

2NH3 + 3O2 → 2H+ + 2NO2– + 2H2O + energia (eq. 1)

Nitratação ou Nitração

2NO2– + O2 → 2NO3– + energia (eq. 1)

A equação “1” corresponde ao processo de nitrosação, que ocorre através da ação de bactérias do gênero Nitrosomonas. Neste momento transcorre a formação do nitrito, que será oxidado a nitrato na equação “2”, chamada de nitratação, realizada por espécies do gênero Nitrobacter. De acordo com Vieira (2017), as bactérias que participam da nitrificação utilizam compostos nitrogenados como fonte de energia e CO2 como fonte de carbono, que necessitam de O2 nos seus processos metabólicos e possuem crescimento muito lento.

Dentre os fatores que afetam positiva ou negativamente o processo de nitrificação, temos a aeração do solo, visto que as bactérias responsáveis por esta etapa são aeróbias; temperatura (ideal entre 26 ºC e 32 ºC); umidade do solo; calagem e a utilização de fertilizantes.

As relações C/N também influenciam diretamente o processo de nitrificação. Segundo Victoria et al. (1992), quando elevadas, causam imobilização de N mineral, pelo menos temporariamente, cessando a nitrificação por falta de substrato e podendo causar deficiência de nitrogênio aos vegetais. De acordo com Moreira e Siqueira (2006), em um solo que oferece condições favoráveis à nitrificação, o nível de nitrato encontra-se razoavelmente alto, enquanto a relação C/N do solo, baixa. Ainda de acordo com estes autores, quando se adiciona quantidade elevada de resíduos orgânicos com alta relação C/N, os microrganismos que atuam na decomposição da matéria orgânica se tornam altamente ativos, produzindo grandes quantidades de CO2, o que faz com que o nitrato e o amônio praticamente desapareçam do solo.

A desnitrificação é o fenômeno de transformação de nitratos e outras substâncias em gás nitrogênio (N2) pela ação de bactérias desnitrificantes. No solo, além das bactérias de nitrificação existem outros tipos, como as Pseudomonas denitrificans. Na ausência de oxigênio atmosférico, essas bactérias usam o nitrato para oxidar compostos orgânicos (respiração anaeróbia). Através da desnitrificação, uma parte dos nitratos do solo é volta novamente à atmosfera na forma de gasosa, concluindo o ciclo e equilibrando a taxa de nitrato no solo.

A desnitrificação pode ser representada pela reação:

5C6H12O6 + 24NO-3 + 24H+ → 30CO2 + 42H2O + 12N2 + Energia

(glicose) (gás nitrogênio)

A fixação do nitrogênio realizada pelas bactérias, algas azuis e fungos que vivem livres no solo ou associados às raízes de plantas é denominada de fixação biológica ou biofixação. As bactérias do gênero Rhizobium, algas azuis do gênero Anabaena e Nostoc e certos fungos são organismos fixadores de nitrogênio que vivem associados a plantas, principalmente a leguminosas.

A amônia pode ser produzida por dois tipos de biofixadores de vida livre: bactérias dos gêneros Azotobacter (aeróbias) e Clostridium (anaeróbias).

Quando qualquer ser vivos morre os decompositores começam a atuar sobre sua carcaça (atuam sobre a matéria orgânica nitrogenada: aminoácidos livre, proteinas, DNA, RNA, clorofilas etc), liberamdo diversos resíduos para o ambiente, entre eles a amônia (NH3). Combinando-se com a água do solo, a amônia forma hidróxido de amônio que oxidand-se forma o íon amônio (NH4+) e hidroxila. Esse processo é denominado de amonização:

Amonificação ou Amonização

A oxidação dos íons amônio produz nitritos como resíduos nitrogenados, que por sua vez são liberados para o ambiente ou oxidados a nitrato. A conversão dos íons amônio em nitrito e nitrato é conhecida por nitrificação, que ocorre pela ação de bactérias nitrificantes (Nitrosomas, Nitrosococus, Nitrobacter). O processo de nitrificação pode ser dividido em duas etapas:

a) Nitrosação

A amônia é transformada em nitrito (NO2–):

Nitrosação

b) Nitração ou nitratação

Ocorre a transformação do íon nitrito em íon nitrato (NO3–):

Nitração

Os nitratos, quando liberados para o solo, podem ser absorvidos e metabolizados pelas plantas. Assim, o ciclo do nitrogênio envolve três processos:

1) Anomificação ou amonização: quando o N2 é oxidado a amônio

2) Nitrosação: 2NH3 + 3O2 → 2H+ + 2NO2– + 2H2O + energia

conversão de amônia em nitritos (tóxico à planta);

3) Nitração: 2NO2– + O2 → 2NO3– + energia

conversão de nitritos em nitratos (forma assimilável pela planta);

4) Nitrificação: conversão de íons amônio em nitratos.

As bactérias nitrificantes são quimioautróficas, ou seja, utilizam-se da energia liberada na nitrificação para sintetizar as suas substâncias orgânicas. Por meio de excreção ou da morte, os produtos nitrogenados dos organismos são devolvidos ao ambiente. Os excretas nitrogenados eliminados para o ambiente, como uréia e ácido úrico, são transformados em amônia pela ação de bactérias e fungos decompositores.

Outros compostos nitrogenados, como proteínas, por exemplo, são degradados por ação de bactérias e fungos, transformando-os em amônia. A decomposição que se apresenta como produto final é denominada amonificação.

A amônia produzida pelos fixadores ou pela amonificação pode ser aproveitada pelas bactérias nitrificantes ou ser transformada em N2 livre, desprendendo-se para a atmosfera. Essa devolução de nitrogênio para a atmosfera é conhecida por desnitrificação e é comumente realizada pelas bactérias desnitrificantes (Pseudomonas denitificans). Aparentemente indesejável, a desnitrificação é necessária porque, se não ocorresse, a concentração de nitratos no solo aumentaria de maneira desastrosa.

O ciclo do nitrogênio, assim como o do carbono, é um ciclo gasoso. Apesar dessa similaridade, existem algumas diferenças notáveis entre os dois ciclos:

1) a atmosfera é rica em nitrogênio (78%) e pobre em Carbono (0,032%);

2) apesar dessa abundância, somente um dois grupos de organismos conseguem utilizar o nitrogênio gasoso (Eubacteria e os Fungi);

3) o envolvimento biológico no ciclo do nitrogênio é muito mais extenso do que no ciclo do carbono.

RESUMO

Fixação de nitrogênio

A fixação de nitrogênio é o processo pelo qual o nitrogênio gasoso (N2) é convertido em amônia (NH3 ou NH4 +) por meio de fixação biológica ou nitrato (NO3-) por meio de processos físicos de alta energia. N2 é extremamente estável e uma grande quantidade de energia é necessária para quebrar as ligações que unem os dois átomos de N. O N2 pode ser convertido diretamente em NO3- por meio de processos que exercem uma enorme quantidade de calor, pressão e energia. Esses processos incluem combustão, ação vulcânica, descargas atmosféricas e meios industriais.

No entanto, uma maior quantidade de nitrogênio biologicamente disponível é gerada naturalmente por meio da conversão biológica de N2 em NH3 / NH4 +. Um pequeno grupo de bactérias e cianobactérias são capazes, usando a enzima nitrogenase, de quebrar as ligações entre o nitrogênio molecular e combiná-lo com o hidrogênio.

A nitrogenase só funciona na ausência de oxigênio. A exclusão do oxigênio é realizada de várias maneiras. Algumas bactérias vivem sob camadas de limo que exclui o oxigênio nas raízes de certas plantas.

Uma das bactérias mais importante do solo, o rizóbio, vive em zonas livres de oxigênio em nódulos nas raízes de leguminosas e algumas outras plantas lenhosas. As cianobactérias filamentosas aquáticas utilizam células especiais que podem excluir o oxigênio, que se chamam heterocistos.

Nitrificação

A nitrificação é um processo de duas etapas em que NH3 / NH4+ é convertido em NO3-.

Primeiro, as bactérias do solo Nitrosomonas e Nitrococcus convertem NH3 em NO2-, e então outra bactéria do solo, Nitrobacter, oxida NO2- em NO3-.

Essas bactérias ganham energia por meio dessas conversões, que requerem oxigênio para ocorrer, e usam o CO2 como fonte de carbono.

A nitrificação é um processo químico-biológico de formação de nitrito no solo pela ação conjunta de bactérias quimiossintetizantes nitrificantes, pela ação de conversão da amônia em nitrato, ocorrendo em duas etapas.

Nitrosação

A maior parte da amônia não é absorvida pelas plantas, sendo oxidadas em nitrito pelas bactérias nitrosas, que pertencem aos gêneros: Nitrossomonas, Nitrosococus e Nitrosolobus, utilizando a energia liberada nessa oxidação para produzir compostos orgânicos.

A reação pode ser expressa da seguinte forma:

2NH3 + 3O2 → 2H+ + 2NO-2 + 2H2O + Energia

(amônia) (nitrito)

Nitratação

Os nitratos formados pelas bactérias nitrosas são liberados no solo e oxidados por outras bactérias quimiossintéticas chamadas nítricas (do gênero Nitrobacter).

Nessa reação formam-se os nitratos, absorvidos e utilizados pelas plantas na fabricação de suas proteínas e de seus ácidos nucleicos.

2NO-2 + O2 → 2NO-3 + Energia

(nitrito) (nitrato)

Esses elementos químicos são repassados aos demais organismos por meio das relações ecológicas mantidas através da cadeia alimentar, de acordo com os níveis tróficos (produtor, consumidor primário, consumidor secundário, terciário...).

A desnitrificação pode ser representada pela reação:

5C6H12O6 + 24NO-3 + 24H+ → 30CO2 + 42H2O + 12N2 + Energia

(glicose) (gás nitrogênio)

Assimilação

A assimilação é o processo pelo qual as plantas e animais incorporam o NO3- e a amônia formados através da fixação de nitrogênio e nitrificação. As plantas absorvem essas formas de nitrogênio por meio de suas raízes e as incorporam às proteínas vegetais, à clorofila e aos ácidos nucléicos. Os animais, herbívoros são então capazes de utilizar o nitrogênio dos tecidos vegetais para sua nutrição.

Ammonificação

A assimilação produz grandes quantidades de nitrogênio orgânico, incluindo proteínas, aminoácidos e ácidos nucléicos.

A amonificação é a conversão de nitrogênio orgânico em amônia.

A amônia é produzida quando uma carcaça se decompõem pela ação de bactérias saprófitas voltando para o meio ambiente e então fica disponível para nitrificação ou assimilação.

Desnitrificação

A desnitrificação é a redução de NO3- a N2 gasoso por bactérias anaeróbias. Esse processo ocorre apenas onde há pouco ou nenhum oxigênio, como no fundo do solo próximo ao lençol freático, em brejos e pântanos.

Outras bactérias fixadoras de N

Azotobacter spp, Azotobacter chroococcum, A. vinelandii.

A Azotobacter é um género de bactérias esféricas (cocus) ou ovais Gram negativas geralmente móveis, são relativamente grandes 1–2 μm de diâmetro, que formam esporos de paredes espessas que podem sobreviver em solos secos por mais de 24 anos. As células de Azotobacter sp podem produzir grandes quantidades de mucosidade em sua cápsula. São aeróbicas, de vida livre, e vivem principalmente nos solos, onde desempenham um importante papel no ciclo do nitrogénio.

Azotobacter spp

(sciencephoto)

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