OS ORGANISMOS PROCARIONTES: DOMÍNIOS BACTERIA E ARCHAEA

 

OS SERES PROCARIONTES: DOMÍNIOS BACTERIA E ARCHAEA

 

Os organismos procariontes, ou seja, aqueles cujas células não apresentam envelope nuclear, até recentemente eram classificados como pertencentes ao “Reino Monera”, porém, atualmente esses tipos de organismos são categorizados em dois domínios, os Domínios Bacteria e o Archaea. Ambos os tipos de organismos têm aspecto similar quando vistos ao microscópio, porém, apresentam algumas diferenças em nível molecular.

 

Filogenia dos três Domínios de organismos baseada em análises de sequências de rRNA, de acordo com Woese et al. (1990). Perceba que o domínio Archaea é mais próximo do Eukaryota. Imagem: Wikipedia.

 

As arqueas são seres geralmente associados aos ambientes extremos (salinidade, temperatura, pH…) e diferem das bactérias por possuírem rRNA 16 S distinto (16 S se refere ao coeficiente de sedimentação da molécula), parede celular de composição distinta, constituídas de proteínas e glicoproteínas, sem peptidioglicanos (os peptidioglicanos são complexos de proteínas com glicídeos), possuem histonas, com as quais podem compactar o DNA cromossomal (as bactérias não possuem) e apresentarem os processos de transcrição gênica e tradução (síntese proteica) mais semelhantes aos dos seres eucariontes, sendo efetivamente mais proximamente relacionadas a eles do que com as bactérias. Inclusive, podemos dizer que os domínios Archaea e Eukarya constituem um grupo monofilético. A maioria do que será visto aqui é referente às bactérias, pois são os principais representantes dos procariontes, podendo ser encontradas em uma variedade enorme de ambientes, tendo vários papeis ecológicos e podendo ser utilizadas por nós em vários processos. Vale também mencionar que nem todas as arqueas habitam ambientes extremos e também há bactérias em ambientes extremos, um bom exemplo é a bactéria Thermus aquaticus, cuja polimerase é utilizada no procedimento de amplificação de DNA chamado de PCR (polymerase chain reaction).

 

Características gerais das bactérias e arqueas:

 

- Unicelulares, que podem viver isolados ou em colônias. Porém, pode haver procariontes multicelulares, como as magnetotáticas (isso ainda é discutido, mas quase tudo em biologia tem exceções).

- Procariontes, ou seja, não possuem membrana nuclear (carioteca). Note que é errado dizer que esses organismos não têm organelas, pois pelo menos os ribossomos eles possuem, mas acontece que os procariontes praticamente não possuem organelas membranosas como os eucariontes, contudo, há possíveis exceções em alguns procariontes, por exemplo: A. Compartimentos membranosos semelhantes aos acidocalcissomos de eucariontes, cujas funções parecem estar relacionadas ao armazenamento de íons Ca⁺², metabolismo energético e regulação do pH celular. B. Os tilacoides, que além dos cloroplastos podem ser encontrados em bactérias fotossintéticas, onde ocorre a etapa fotoquímica. C. Os magnetossomos, que contêm cristais de magnetita ou greigita e permitem a algumas bactérias perceber e se alinhar ao campo magnético da Terra. Ou seja, os procariontes pode ser que alguns procariontes também tenham organelas membranosas.

- Autotróficos ou heterótrofos, aeróbios ou anaeróbios. Há uma enorme diversidade de tipos de metabolismo entre os procariontes, de maneira que eles participam de vários nichos e têm enorme importância ambiental, tanto atuando como produtores quanto como decompositores.

 

Exemplo de metabolismo e tipo de nutrição de procariontes com a produção de metano em sedimentos pela ação das arqueas metanogênicas. As bactérias metanotróficas oxidam o metano na interface ar-água, produzindo CO₂. Imagem: Bio, Volume Único. Lopes & Rosso. 2013. As arqueas metanogênicas liberam metano como subproduto do metabolismo energético e vivem em ambientes anaeróbicos, como os pântanos e os intestinos de herbívoros e cupins. O metano é um gás estufa e pode ser utilizado como combustível.

 

- As células bacterianas medem aproximadamente 0,5 e 5,0 µm (algumas exceções podem ser bem maiores). No tocante à estrutura, têm membranas plasmáticas constituídas de bicamadas fosfolipídicas, assim como as dos eucariontes. No citoplasma, há ribossomos, talvez algumas organelas, o cromossomo bacteriano, que tem formato circular e, além dessa molécula de DNA, há outras, também circulares, porém menores e acessórias, os plasmídeos, que geralmente contém genes que conferem resistência contra antibióticos e podem ser replicados e transferidos de uma célula a outra. Os plasmídeos são vetores de expressão heteróloga amplamente utilizados em biotecnologia (neles podem ser inseridos genes de outros organismos, para que as bactérias sintetizem os produtos desses genes).

 

A imagem mostra a estrutura de uma bactéria gram positiva hipotética, com várias das suas estruturas. Imagem: Wikipedia.

 

- A parede celular é um envoltório rígido que recobre a célula e contribui para a manutenção do seu formato. É constituída de peptidioglicanos: polímeros de carboidratos interligados por aminoácidos. Algumas bactérias e arqueas não possuem parede e as paredes das arqueas são constituídas de proteínas e polissacarídios, apesar de que algumas possuem peptidioglicanos, mas distintos dos das bactérias. (A diversidade é muito grande e lembrando, quase sempre há exceções em biologia).

 

- Podem apresentar um ou mais flagelos, estruturas utilizadas para a locomoção, geralmente constituídas de um longo filamento que se estende a partir da superfície da célula, associado a um motor localizado na membrana e parede celular. Este motor pode girar até 15 mil vezes por minuto. (os flagelos bacterianos apresentam composição e funcionamento distintos dos flagelos das células eucarióticas).

 

- Algumas bactérias secretam para o seu exterior uma cobertura gelatinosa, composta de proteínas e/ou polissacarídios, chamada cápsula bacteriana. Esta estrutura dificulta a fagocitose das bactérias pelas células fagocitárias do sistema imune (macrófagos e monócitos), logo, podem contribuir para a sua patogenicidade.

- Às vezes as bactérias podem se apresentar na forma de endósporos, uma forma de resistência. Quando as condições ambientais são adversas, dá-se início a um processo em que a célula desidrata, duplica seu cromossomo e forma uma parede espessa ao redor de um dos cromossomos. Esta estrutura não apresenta metabolismo, mas pode ser reativada quando as condições ambientais voltam a ser favoráveis. Como há a duplicação do cromossomo bacteriano, alguns autores consideram a formação dos endósporos como um tipo de reprodução agamética/assexuada.

 

Exemplo de formação de um endósporo. Imagem: Wikipedia.

 

No que diz respeito à parede celular, as bactérias podem ser classificadas em dois grupos de acordo com o método de coloração de Gram. Este método consiste em submeter as bactérias a um tratamento com dois corantes, um violeta e um rosa, e após o tratamento podem se identificar dois tipos distintos de bactérias:

 

- Gram positivas: apresentarão coloração violeta. Possuem uma parede celular espessa externamente à membrana plasmática.

- Gram negativas: apresentarão coloração rosa, pois não retêm o corante violeta. Externamente à membrana plasmática também possuem uma parede celular, porém mais fina e além dela há outra membrana fosfolipídica. Entre a membrana plasmática e a parede celular há um espaço chamado de espaço periplásmico.

O método de coloração de Gram. Imagem: https://laboratoryinfo.com/

 

Esse método de identificação pode constituir um passo preliminar na identificação e tratamento de certas infecções bacterianas.

No que diz respeito à forma, as bactérias podem ser:

 

Unicelulares:

- Cocos: Formato esférico.

- Bacilo: Formato de bastonete.

- Vibrião: formato de vírgula.

- Espirilo: Formato espiralado.

 

Colônias:

- Diplococos, estreptococos, sarcinas (cubo) e estafilococos (cacho).

- Diplobacilos e estreptobacilos.

A imagem mostra vários dos formatos mais comuns das bactérias. Veja essa também. Normalmente não é preciso decorar isso.

Metabolismo dos procariontes:

 

Quanto à nutrição e ao metabolismo das células procariontes, como mencionado, há uma grande variedade. Elas podem ser autótrofas fotossintéticas, tanto oxígenas, como as cianobactérias, como anoxígenas, como as sulfurosas, que liberam enxofre (S) ao invés de O₂. As arqueas halófitas extremas realizam fotossíntese com o pigmento bacteriorrodopsina, a fotossíntese mais simples.

 

Há vários exemplos de arqueas quimiossintéticas que habitam os ambientes extremos ou os anóxicos, e também as bactérias que atuam no ciclo do nitrogênio (Nitrosomonas e Nitrobacter), para citar alguns exemplos.

 

Dentre as heterótrofas pode haver as aeróbicas, anaeróbicas facultativas (ex: Escherichia coli) e as anaeróbicas obrigatórias (ex: Clostridium sp.), havendo então, variação nos processos responsáveis pela geração de energia, como a fermentação, respiração aeróbica e respiração anaeróbica. Ainda, bactérias saprofágicas são as que obtêm seu alimento a partir da matéria orgânica morta, como os cadáveres, sendo assim, atuam como decompositoras, reciclando a matéria orgânica complexa, ao transformá-la em matéria orgânica simples, que pode ser utilizada por outros seres vivos. As parasitas obtêm seu alimento instalando-se nos organismos ainda vivos, podendo causar doenças.

 

Imagem mostrando as bactérias que atuam no ciclo do nitrogênio e o papel de outras bactérias que podem, junto com os fungos, por exemplo, atuar como decompositoras. No caso da imagem, as decompositoras produzem amônia a partir dos restos dos organismos. Imagem: https://wps.prenhall.com/wps/media/objects/2478/2537811/Media-Portfolio/chapter_07/07.html

Reprodução das bactérias:

As bactérias reproduzem-se de forma assexuada por divisão binária ou cissiparidade, processo em que uma célula duplica seu DNA, e se divide em duas (idênticas). Note que esse processo não é a mitose, pois inclusive esse termo se refere à divisão do núcleo e é utilizado para as células eucariontes.

 

Processo de divisão binária em uma célula procarionte qualquer. Imagem: Wikipedia.

 

Apesar das bactérias não apresentarem reprodução sexuada/gamética, podem adquirir sequências de DNA contendo genes de outras bactérias, processo denominado recombinação gênica. Pode se dar de três formas básicas:

- Transformação: absorção de moléculas de DNA dispersas no ambiente, provenientes de bactérias mortas. As moléculas de DNA podem trazer genes novos para a bactéria que os absorve.

- Transdução: transferência de sequências de DNA de uma bactéria para outra a partir de um vírus bacteriófago. Neste caso, a montagem do bacteriófago ocorreu de forma errônea e ao invés do seu capsídeo conter o material genético viral, na verdade contém um fragmento do DNA da bactéria que ele havia infectado. Ao infectar outra bactéria, injeta este DNA, que pode se incorporar ao cromossomo da bactéria que está sendo invadida agora.

Conjugação: transferência direta de DNA entre duas bactérias através de tubos proteicos chamados pili, fímbrias ou pelos sexuais.

 

Imagem ilustrando de maneira bem simplificada os três processos de recombinação gênica que podem ocorrer em bactérias.

 

Importância dos procariontes.

 

Aqui serão mencionados aspectos mais associados com as bactérias. 

Esses organismos têm importância ambiental, pois os procariontes autótrofos podem agir como produtores e outros, heterótrofos, como decompositores da matéria orgânica. São muito utilizados em processos da biotecnologia e também têm importância fundamental na nossa saúde, pois, além de causarem doenças, um número enorme sobrevive em nossos corpos fazendo parte daquilo que chamamos de microbiota. Os organismos componentes dessa microbiota podem prevenir infecções pelos micro-organismos patogênicos e também produzir substâncias de interesse para nós, como exemplos as vitaminas K e algumas vitaminas B. Veremos um pouco mais sobre a microbiota adiante.

 

As bactérias e o ciclo do nitrogênio: para que possa ser absorvido pelos seres vivos, o elemento N, na forma de gás nitrogênio, N₂ é inicialmente absorvido pelas bactérias fixadoras de nitrogênio. Elas converterão o N₂ em amônia, NH₃, que por sua vez, pode ser absorvido por algumas plantas. Outras bactérias, as chamadas bactérias nitrificantes, transformam o NH₃ (ou NH₄⁺) em Nitrato, NO₃^–. Sendo que os nitratos são as substâncias contendo nitrogênio mais facilmente absorvidas pelas plantas. Isto se dá em duas etapas:

 

Bactérias do gênero Nitrosomonas convertem a amônia ou o amônio em nitrito: 2NH₃ +3O₂ => 2NO₂^– + 2H₂O + 2H⁺ + Energia!

Bactérias do gênero Nitrobacter convertem o nitrito em nitrato: 2NO₂^– + O₂ => 2NO₃^– + Energia!

 

As bactérias fixadoras do gênero Rhizobium são capazes de infectar as raízes das plantas leguminosas, e viver de forma simbiótica com elas ao formar nódulos (que são tumores). A bactéria absorve o N₂, e compartilha com a planta as substâncias nitrogenadas que produz, ao passo que a planta fornece outras substâncias orgânicas às bactérias. Como estas plantas se tornam muito eficientes no processo de fixação de nitrogênio, ao morrerem, acabam fertilizando o solo, pois liberam o nitrogênio na forma de amônia.

 

Além dos processos de fixação e nitrificação, outras bactérias são capazes de converter o NO₃^– em N₂, devolvendo o elemento N para a atmosfera. Estas são as bactérias desnitrificantes e o processo pelo qual fazem isso é chamado desnitrificação.

 

Bactérias e biotecnologia: as bactérias têm sido intensamente utilizadas nos processos de expressão de genes heterólogos, ou seja, inserir no genoma bacteriano genes de outros tipos de seres vivos, como o gene da insulina humana, para que elas possam produzi-los com fins comerciais. Basicamente, este processo é feito com o uso das chamadas enzimas de restrição, produzidas pelas bactérias, cujo intuito é cortar, em pontos específicos, o DNA de bacteriófagos que venham a infectá-las. Pode se utilizar estas mesmas enzimas para se cortar qualquer molécula de DNA. Sendo assim, utiliza-se estas enzimas para se inserir genes de interesse (como o da insulina humana) em plasmídios bacterianos. Os plasmídios contendo os genes de interesse são então introduzidos nas bactérias e elas passam a produzir a proteína heteróloga.

Esquema mostrando uma forma de se expressar genes heterólogos em bactérias utilizando plasmídeos como os vetores de expressão. Os plasmídeos utilizados devem ter um gene que confira resistência contra antibióticos (como a ampicilina ou kanamicina). (1). Isola-se a sequência de DNA do gene de interesse. (2). Insere-se o DNA de interesse no plasmídeo vetor. 2a. cortam-se o DNA com o gene de interesse e o DNA vetor com a mesma enzima de restrição, 2b. ao se misturar as moléculas de DNA em solução elas se anelam graças ao pareamento das bases nitrogenadas, 2c. a enzima DNA ligase une os fragmentos às suas relativas cadeias de nucleotídeos. Daí se obtém um plasmídeo recombinante. (3). Introduz-se o plasmídeo recombinante em Escherichia coli. (4) As células são clonadas. 4a. as células são cultivadas em uma placa com ágar contendo antibiótico (no caso da imagem, ampicilina), 4b. cada colônia contém o plasmídeo recombinante e a habilidade de crescer em ágar com ampicilina. (5) Escolhem-se colônias a serem cultivadas em um meio de cultura maior, para multiplicar os plasmídeos. (6) Isolam-se os DNAs das culturas amplificadas. (7) Transferem-se os plasmídeos recombinantes para as células desejadas (como outras bactérias, leveduras, células animais e etc.) e testam-se as propriedades do gene de interesse.

Imagem: https://www.researchgate.net/figure/Steps-for-recombinant-DNA-technology-Bacterial-plasmids-with-a-resistance-gene-present_fig1_273188183

As bactérias também podem ser utilizadas para se produzir plantas transgênicas. Isso é feito com o uso da bactéria Agrobacterium tumefaciens que apresenta o chamado plasmídio Ti, indutor de tumor. Esta bactéria tem a capacidade de inserir parte do plasmídio Ti no cromossomo das células das raízes de certas plantas e desta forma induzir a célula a se multiplicar, originando um tumor (daí o nome Ti). O número aumentado de células da planta produz as substâncias que a bactéria necessita. Pode se desenvolver plantas transgênicas ao infectar células vegetais com bactérias contendo um Ti modificado, em que se substitui os genes indutores de tumor por algum outro de interesse, como os genes que confiram resistência contra os herbicidas.

 

A microbiota ou microbioma humano: estima-se que vivam em nosso corpo um número de células bacterianas dez vezes maior que o número das nossas próprias células. Em grande parte, essas bactérias não nos causam enfermidades e em alguns casos, podem nos favorecer. Por exemplo, a presença delas dificulta o estabelecimento em nossos corpos de populações de micro-organismos patogênicos. De particular interesse recente são as bactérias residentes nos nossos intestinos, que podem produzir substâncias úteis, como as vitaminas K e várias vitaminas B, além de influenciarem na saúde geral. Convém notar que a composição dessa microbiota varia dependendo da dieta, sendo que dietas mais balanceadas, ricas em fibras, favorecem a prevalência de micro-organismos mais benéficos resultando em menos processos inflamatórios no intestino. Outros fatores que afetam o microbioma são o estresse/ansiedade, se o indivíduo teve o primeiro contato com esses micro-organismos no canal vaginal da mãe durante o parto normal e se passou por um período adequado de amamentação. Além das bactérias há também outros tipos de organismos, como os fungos.

 

Alguns efeitos que o microbioma intestinal pode ter em nossos organismos. Imagem: https://drjockers.com/10-ways-improve-gut-microbiome/. Tem muitas informações boas nesse link.

 

As doenças causadas pelas bactérias: em geral, as bactérias parasitas instalam-se em meio às células dos tecidos, onde podem causar dano ao destruir as células diretamente ou produzirem substâncias tóxicas que terminam por causar danos a elas.

 

A prevenção e o tratamento geralmente se dão com o uso de vacinas e antibióticos. Os antibióticos são substâncias produzidas por micro-organismos, capazes de matar ou inibir a proliferação de outros micro-organismos. Por exemplo, a penicilina é um antibiótico produzido pelos fungos do gênero Penicillium, e esta substância é capaz de impedir que a bactéria sintetize sua parede celular, então a bactéria lisa e morre.

 

A tabela a seguir resume algumas doenças causadas por bactérias:

 

DOENÇA	AGENTE ETIOLÓGICO	TRANSMISSÃO	PREVENÇÃO	SINTOMAS
Pneumonias bacterianas	Pneumococos, hemófilos, etc.	Gotículas em suspensão no ar.	Evitar o contato com os doentes; vacinação.	Tosse, febre, dor torácica.
Tuberculose	Bacilo de Koch (Mycobacterium tuberculosis)	Gotículas em suspensão no ar.	Evitar o contato com os doentes; Condições salutares de moradia e alimentação; vacinação.	Febre, tosse, emagrecimento, hemoptise (expectoração com sangue).
Hanseníase	Mycobacterium leprae	Contato com doentes.	Evitar o contato com os doentes.	Lesões claras ou avermelhadas na pele; áreas insensíveis; nódulos; regiões de pele seca.
Tétano	Clostridium tetani	Contaminação de ferimentos.	Cuidado com os ferimentos; Vacinação.	Espasmos musculares; distúrbios respiratórios.
Cólera	Vibrio cholerae	Água e alimentos contaminados por fezes de doentes.	Isolamento dos doentes; Saneamento básico; Vacinação.	Diarreia intensa, vômitos, febre e dor abdominal.
Sífilis	Treponema pallidum	Contato sexual; Transmissão materno-fetal.	Abstinência; uso de preservativos.	Nódulo duro nos órgãos genitais; manchas na pele; lesões neurológicas.
Gonorreia	Neisseria gonorhoeae	Contato sexual; Transmissão no parto.	Abstinência; uso de preservativos.	Dor ao urinar; Corrimento vaginal ou uretral; dor durante as relações sexuais.
Antraz	Bacillus anthracis	Inalação ou ingestão de esporos.	Evitar locais onde animais contaminados morreram.	Infecção generalizada, pneumonia, febre e dificuldade para respirar.
Acne	Propionibacterium acnes	Proliferação excessiva da bactéria, nos folículos pilosos, graças ao aumento da secreção sebácea durante a adolescência.	Cuidar da higiene da pele. Existem antibióticos específicos para se tratar.	Inflamação dos folículos pilosos e formação de cravos e pústulas na pele.

 

Referências:

Livros de biologia do ensino médio da Sônia Lopes e Amabis, várias entradas sobre o assunto na Wikipedia e Britannica e nos links das imagens.