9.3: Os efeitos do pH no crescimento microbiano

Objetivos de

• Ilustre e descreva brevemente os requisitos de pH mínimo, ótimo e máximo para o crescimento
• Identifique e descreva as diferentes categorias de micróbios com requisitos de pH para o crescimento: acidófilos, neutrófilos e alcalífilos
• Dê exemplos de microrganismos para cada categoria de exigência de pH

Iogurte, picles, chucrute e pratos temperados com limão devem seu sabor picante a um alto teor de ácido (Figura\(\PageIndex{1}\)). Lembre-se de que a acidez é uma função da concentração de íons hidrogênio [H ⁺] e é medida como pH. Ambientes com valores de pH abaixo de 7,0 são considerados ácidos, enquanto aqueles com valores de pH acima de 7,0 são considerados básicos. O pH extremo afeta a estrutura de todas as macromoléculas. As ligações de hidrogênio que mantêm juntas as fitas de DNA se quebram em alto pH. Os lipídios são hidrolisados por um pH extremamente básico. A força motriz do próton responsável pela produção de ATP na respiração celular depende do gradiente de concentração de H ⁺ na membrana plasmática (consulte Respiração celular). Se os íons H ⁺ forem neutralizados por íons hidróxido, o gradiente de concentração colapsa e prejudica a produção de energia. Mas o componente mais sensível ao pH na célula é seu carro-chefe, a proteína. Mudanças moderadas no pH modificam a ionização dos grupos funcionais de aminoácidos e interrompem a ligação de hidrogênio, que, por sua vez, promove mudanças no dobramento da molécula, promovendo a desnaturação e destruindo a atividade.

Figura\(\PageIndex{1}\): As bactérias do ácido lático que fermentam leite em iogurte ou transformam vegetais em picles prosperam a um pH próximo a 4,0. O chucrute e pratos como o pico de gallo devem seu sabor picante à acidez. Os alimentos ácidos têm sido a base da dieta humana por séculos, em parte porque a maioria dos micróbios que causam a deterioração dos alimentos crescem melhor em um pH quase neutro e não toleram bem a acidez. (crédito “iogurte”: modificação da obra por “nina.jsc” /Flickr; crédito “pickles”: modificação da obra de Noah Sussman; crédito “chucrute”: modificação da obra de Jesse LaBuff; crédito “pico de gallo”: modificação da obra por “regan76” /Flickr)

O pH ideal de crescimento é o pH mais favorável para o crescimento de um organismo. O menor valor de pH que um organismo pode tolerar é chamado de pH mínimo de crescimento e o pH mais alto é o pH máximo de crescimento. Esses valores podem abranger uma ampla faixa, o que é importante para a preservação dos alimentos e para a sobrevivência dos microrganismos no estômago. Por exemplo, o pH de crescimento ideal de Salmonella spp. é 7,0—7,5, mas o pH mínimo de crescimento está próximo de 4,2.

A maioria das bactérias são neutrófilas, o que significa que elas crescem de forma ideal a um pH dentro de uma ou duas unidades de pH do pH neutro de 7 (veja a Figura\(\PageIndex{2}\)). As bactérias mais conhecidas, como Escherichia coli, estafilococos e Salmonella spp. são neutrófilas e não se dão bem no pH ácido do estômago. No entanto, existem cepas patogênicas de E. coli, S. typhi e outras espécies de patógenos intestinais que são muito mais resistentes ao ácido estomacal. Em comparação, os fungos se desenvolvem com valores de pH levemente ácidos de 5,0 a 6,0.

Microorganismos que crescem de forma ideal em pH inferior a 5,55 são chamados de acidófilos. Por exemplo, os Sulfolobus spp. oxidantes de enxofre isolados de campos de lama de enxofre e fontes termais no Parque Nacional de Yellowstone são acidófilos extremos. Essas arquéias sobrevivem em valores de pH de 2,5 a 3,5. Espécies do gênero arqueano Ferroplasma vivem na drenagem ácida de minas com valores de pH de 0—2,9. A bactéria Lactobacillus, que é uma parte importante da microbiota normal da vagina, pode tolerar ambientes ácidos com valores de pH 3,5—6,8 e também contribuir para a acidez da vagina (pH de 4, exceto no início da menstruação) por meio da produção metabólica de ácido lático. A acidez da vagina desempenha um papel importante na inibição de outros micróbios menos tolerantes à acidez. Os microrganismos acidofílicos apresentam várias adaptações para sobreviver em ambientes ácidos fortes. Por exemplo, as proteínas mostram uma carga superficial negativa aumentada que as estabiliza em pH baixo. As bombas ejetam ativamente os íons H ⁺ das células. As mudanças na composição dos fosfolipídios da membrana provavelmente refletem a necessidade de manter a fluidez da membrana em baixo pH.

Figura\(\PageIndex{2}\): As curvas mostram as faixas aproximadas de pH para o crescimento das diferentes classes de procariontes específicos de pH. Cada curva tem um pH ideal e valores extremos de pH nos quais o crescimento é muito reduzido. A maioria das bactérias são neutrófilas e crescem melhor em pH quase neutro (curva central). Os acidófilos têm crescimento ideal em valores de pH próximos a 3 e os alcalífilos têm crescimento ideal em valores de pH acima de 9.

No outro extremo do espectro estão os alcalífilos, microrganismos que crescem melhor em pH entre 8,0 e 10,5. O Vibrio cholerae, o agente patogênico da cólera, cresce melhor no pH ligeiramente básico de 8,0; ele pode sobreviver a valores de pH de 11,0, mas é inativado pelo ácido do estômago. Quando se trata de sobrevivência em pH alto, o Natronobacterium arqueano rosa brilhante, encontrado nos lagos de soda do Vale do Rift Africano, pode manter o recorde em um pH de 10,5 (Figura\(\PageIndex{3}\)). Os alcalífilos extremos se adaptaram ao seu ambiente hostil por meio da modificação evolutiva da estrutura lipídica e proteica e de mecanismos compensatórios para manter a força motriz do próton em um ambiente alcalino. Por exemplo, o alcalífilo Bacillus firmus deriva a energia para reações de transporte e motilidade de um gradiente de íons Na ⁺ em vez de uma força motriz de prótons. Muitas enzimas dos alcalífilos têm um ponto isoelétrico mais alto, devido ao aumento do número de aminoácidos básicos, do que as enzimas homólogas dos neutrófilos.

Figura\(\PageIndex{3}\): Vista do espaço do Lago Natron, na Tanzânia. A cor rosa se deve à pigmentação dos micróbios alcalífilos e halofílicos extremos que colonizam o lago. (crédito: NASA)

Sobrevivência no baixo pH do estômago

As úlceras pépticas (ou úlceras estomacais) são feridas dolorosas na mucosa do estômago. Até a década de 1980, acreditava-se que eles eram causados por alimentos picantes, estresse ou uma combinação de ambos. Normalmente, os pacientes eram aconselhados a comer alimentos leves, tomar medicamentos antiácidos e evitar o estresse. Esses remédios não foram particularmente eficazes e a condição frequentemente se repetia. Tudo isso mudou drasticamente quando se descobriu que a verdadeira causa da maioria das úlceras pépticas era uma bactéria delgada em forma de saca-rolhas, a Helicobacter pylori. Esse organismo foi identificado e isolado por Barry Marshall e Robin Warren, cuja descoberta lhes rendeu o Prêmio Nobel de Medicina em 2005.

A capacidade do H. pylori de sobreviver ao baixo pH do estômago parece sugerir que é um acidófilo extremo. Ao que parece, esse não é o caso. Na verdade, o H. pylori é um neutrófilo. Então, como ele sobrevive no estômago? Surpreendentemente, o H. pylori cria um microambiente no qual o pH é quase neutro. Ele consegue isso produzindo grandes quantidades da enzima urease, que decompõe a ureia para formar NH ₄ ⁺ e CO ₂. O íon amônio aumenta o pH do ambiente imediato.

Essa capacidade metabólica do H. pylori é a base de um teste preciso e não invasivo para infecção. O paciente recebe uma solução de uréia contendo átomos de carbono marcados radioativamente. Se o H. pylori estiver presente no estômago, ele decompõe rapidamente a uréia, produzindo CO ₂ radioativo que pode ser detectado no hálito do paciente. Como as úlceras pépticas podem levar ao câncer gástrico, os pacientes que estão determinados a ter infecções por H. pylori são tratados com antibióticos.

Exercício\(\PageIndex{1}\)

1. Que efeito os extremos de pH têm nas proteínas?
2. Que tipo de bactéria adaptativa ao pH seria a maioria dos patógenos humanos?

Conceitos principais e resumo

• As bactérias geralmente são neutrófilas. Eles crescem melhor em pH neutro próximo a 7,0.
• Os acidófilos crescem de forma ideal a um pH próximo de 3,0. Alcalífilos são organismos que crescem de forma ideal entre um pH de 8 e 10,5. Os acidófilos e alcalífilos extremos crescem lentamente ou não chegam perto do pH neutro.
• Os microrganismos crescem melhor em seu pH de crescimento ideal. O crescimento ocorre lentamente ou não está abaixo do pH mínimo de crescimento e acima do pH máximo de crescimento.