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Introdução

Metabolismo:

• toda a atividade química realizada por toda a atividade química realizada por um organismoum organismo

São de 2 tipos:São de 2 tipos:

• aquelas que liberam aquelas que liberam EE = exergônicas - = exergônicas - catabólicascatabólicas• aquelas que utilizam aquelas que utilizam EE = endergônicas - = endergônicas - anabólicasanabólicas

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∆G = +

∆G = -

3AnabólicaCatabólica

Requerimentos de energia:

Produção de Energia (E)

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Sistema dearmazenamentoe transferência

de E

Componentes celularescomo proteínas (enzimas),DNA, RNA, carboidratos,

lipídeos, etc.

Produtos da degradaçãoservem como unidades

para a produção decompostos celulares

Síntese

Compostos e estruturas

Degradação

Quebra desubstratos ou

nutrientes

E liberadaE requerida

Crescimento celular,reprodução, manutençãoe movimento

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Tipos de energia

Energia química – energia contida em ligações químicas das moléculas

Energia radiante (energia da luz) – deve ser convertida em energia química

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Compostos ricos em energia: armazenamento e transferência de

energia (imediata) ATP = adenosina trifosfato

ADP = adenosina difosfato

Fosfoenolpiruvato

Glicose-6-fosfato

Coenzimas: : Acetil CoA, NAD, NADH, NADPHAcetil CoA, NAD, NADH, NADPH

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Armazenamento de energia

8(Madigan et al., 2010)

Ligacoes tioéster

Glicose acido 2-fosfoglicérico acido fosfoenolpirúvico acido pirúvico9

Fosforilação a nível de substrato = GLICÓLISE

Geração de ATP por microrganismos - Geração de ATP por microrganismos - FermentaçãoFermentação

• Todas as reações de oxidação liberam energia (sistema de transporte de elétrons)

• A energia é armazenada temporariamente em força proton-motiva

• A força proton-motiva fornece energia para a síntese de ATP a partir do ADP

• sistema O/R:

doador (O/R)1 (O/R)2 (O/R)3 (O/R)4 aceptor

Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa

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nutriente composto oxidado

Geração de ATP por microrganismos - Geração de ATP por microrganismos - RespiraçãoRespiração

Exterior da célula

Citoplasma

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Luz como fonte de energiaLuz produz força proton-motivaForça proton-motiva promove síntese de ATP

Onde faz e quem faz:Cianobactérias, algas, plantas verdes (fototróficos)Nos tilacóides no citoplasma ou nos cloroplastos,

devido a presença de clorofila

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Geração de ATP por microrganismos - Geração de ATP por microrganismos - RespiraçãoRespiração

FotofosforilaçãoFotofosforilação

Como faz:Além de fotofosforilação também fixam CO2

Este processo requer 2 componentes:○ ADP (fonte de energia)

○ NADPH2 (doador de e- para a fixação do CO2)

Depende da atividade de 2 estruturas:○ Fotossistema I (PS I)○ Fotossistema II (PS II)

Geração de ATP por Geração de ATP por microrganismosmicrorganismos

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Organização do complexos protéicos na membrana fotossintética de uma bactéria púrpura fototrófica. Ogradiente de prótons gerado pela luz é utilizado na síntese de ATP, catalisada pela ATP sintase (ATPase).

(Madigan et al., 2010)

CL = clorofilaCR = centros de reaçãoBph = bacteriofeofitinaQ = quinonaFe-S = proteína Fe-Sbc1 = complexo citocromo bc1C2 = citocromo c2

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Fotofosforilação

Fotofosforilação

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Estroma

Vias metabólicas de produção de energia

Vias importantes GlicóliseVia de regeneração do NAD+

○ Fermentação○ Respiração:

aeróbiaanaeróbia

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Glicólise

Degradação anaeróbica da glicose a ácido pirúvico por uma

sequência de reações catalizadas enzimaticamente (também

chamada de via Embden-Meyerhoff )

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Produção líquidade 2 ATP

Regeneração do NAD (Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo)

Através de 2 métodosFermentaçãoRespiração:

aeróbicaanaeróbica

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Fermentação

Ausência de O2

Reações de oxidação e redução de um composto orgânico

Baixo potencial de energia (processo pouco eficiente)

Ocorre fosforilação em nível de substrato Ocorre no citosol

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Este é o processo básico na indústria de produção de bebidas alcoólicas22

Espécie microbiana Principal produto da fermentação

Acetivibrio cellulolyticus Ácido acético

Actinomyces bovis Ácidos acético, fórmico, láctico, etc.

Clostridium acetobutylicum Acetona, butanol, etanol, ácido fórmico, etc.

Enterobacter aerogenes Etanol, ácido fórmico, CO2, etc.

Escherichia coli Etanol, ácidos láctico, acético, fórmico, succínico, etc.

Lactobacillus brevis Etanol, glicerol, CO2, ácidos láctico, acético, etc.

Streptococcus lactis Ácido láctico

Succinimonas amylolytica Ácidos acético e succínico

Produtos da fermentação

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Respiração Processo de regeneração do NAD onde o NADH2 é o

doador de e- para o sistema de transporte de e-

Respiração aeróbica: O2 é o aceptor final de e-

Respiração anaeróbica: outra molécula (NO3-, SO4

--) como aceptor final de e-

Vantagem sobre a fermentação: além da regeneração de NAD há produção de força proton-motiva para síntese adicional de ATP

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Respiração aeróbica

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Ciclo de Krebs

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Produção de ATP em crescimento aeróbico na presença da glicose

27Produção liquida = 38 ATP

Biossíntese

Energia para síntese de compostos celulares: ácidos nucléicos (DNA, RNA), substâncias nitrogenadas (aa, enzimas, proteínas), carboidratos (peptidoglicano), lipídeos, etc.

ATP para processos como divisão celular, mobilidade, transporte ativo de nutrientes, etc.

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Utilização de energia

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Fases de crescimento: lag, exponencial (log), estacionária, declínio

Curva de crescimento Microbiano

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Crescimento microbiano

• Expressão matemática do crescimento – progressão geométrica de quociente 2:

• 1 2 4 8 16 32 ......... X

• 2º 21 22 23 24 25 ......... 2n

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Crescimento microbiano

• Tempo de geração: tempo necessário para a divisão das células– depende da espécie e das condições de crescimento

• g = t/n, onde:

– g = tempo de geração

– t = tempo de crescimento

– n = número de gerações dentro de um tempo t de crescimento

• E. coli: 20 min

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5 x 107

Crescimento microbiano

• A relação entre o número de células e de gerações pode ser expressa em uma série de equações matemáticas:– sendo a população inicial = N0

• 1ạ geração N = N0 x 21

• 2ạ geração N = N0 x 22

• 3ạ geração N = N0 x 23

• nạ geração N = N0 x 2n

população final (N) = N0 x 2n

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Crescimento microbiano

• A relação entre o número de células e de gerações pode ser expressa em uma série de equações matemáticas:– sendo a população inicial = 5

• 1ạ geração N = N0 x 21 = 5 x 2 = 10

• 2ạ geração N = N0 x 22 = 5 x 22 = 20

• 3ạ geração N = N0 x 23 = 5 x 23 = 40

• nạ geração N = N0 x 2n = 5 x 2n

população final (N) = N0 x 2n

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Medidas do crescimento

• Medidas diretas– Contagem de células totais

• Câmaras de Petroff-Hausser e de Neubauer• Contagem dos viáveis

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Medidas do crescimento

Contagem microscópica direta: Câmara de Petroff-Hausser

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Medidas do crescimentoContagem dos viáveis

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Superfície

Pour plate

Contagem dos viáveis utilizando atécnica das diluições em série

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Medidas do crescimento

• Medidas indiretas– Turbidez

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Fatores que afetam o crescimento Fatores químicos:

pH:

neutrófilos – pH ≈ 7.0 acidófilos – pH < 7.0 alcalófilos – pH > 7.0

Importância:

• Atividade enzimática

• Conformação protéica

• Disponibilidade de metais e elementos orgânicos

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Archaea acidofílica – área de mineração ácida (extração de ouro, etc.)

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Rochas calcáricas

Vermiculita

Fatores que afetam o crescimento Fatores químicos:

O2:

Aeróbicos obrigatórios Anaeróbicos obrigatórios Anaeróbicos facultativos Microaerófilos Aerotolerantes

Importância:

• Respiração e produção de energia

• Reações de óxido-redução

• Atividade enzimática

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aeróbios anaeróbios anaeróbios microaerófilos anaeróbios obrigatórios obrigatórios facultativos aerotolerantes

Fatores que afetam o crescimento Fatores físicos:

Temperatura:

Psicrófilos: - 5 C a 20 C Mesófilos: 20 C a 50 C Termófilos: 50 C a 80 C Termófilos extremos: acima de 80 C

Importância:

• Altera as respostas enzimáticas

• Altera as respostas a choques térmicos

• Influencia na razão de crescimento

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Chlamydomonas nivalis

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• Estratégias de adaptação às altas temperaturas– membranas

– ácidos graxos diferenciados:

• Archaea não tem ácidos graxos nas membranas (têm hidrocarbonetos C40 com unidades de isopropeno)

– monocamada lipídica

Fatores que afetam o crescimento

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Monocamada lipídica

Bicamada lipídica

• Estratégias de adaptação às altas temperaturas– proteínas

– tipo de aminoácido: conferem conformação distinta (Glu, Lys, Arg)

– velocidade de renovação das células Taq polimerase (Thermus aquaticus)

– ácidos nucléicos

– maior concentração de C≡G

Fatores que afetam o crescimento

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Fatores que afetam o crescimento Fatores físicos:

Pressão osmótica (NaCl): Halotolerantes Halófilos Halófilos extremos

Pressão hidrostática Barotolerantes Barófilos

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Habitat de Archaea:Great Salt Lake (2460 km2, Utah, EUA

Halofílicas extremas

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Halofílicas extremas

Evaporadores na Baía de São Francisco, Califórnia, EUA

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Fatores que afetam o crescimento Fatores biológicos:

Fauna e o substrato Processos de ingestão Ciclagem de nutrientes Composição da comunidade

Interações microbianas Neutralismo Comensalismo Sinergismo Mutualismo

Biodisponibilidade Adsorção Solubilidade Especiação química

Competição Amensalismo/Antagonismo Parasitismo Predação

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