metabolismo microbiano produção de energia e biossíntese

Metabolismo Metabolismo MicrobianoMicrobiano

Produção de energia e Produção de energia e biossíntesebiossíntese

IntroduçãoIntrodução

Metabolismo: Metabolismo: • grego: grego: metabolemetabole = mudança, = mudança, transformaçãotransformação• Toda a atividade química realizada pelos Toda a atividade química realizada pelos

organismosorganismos

São de dois tipos gerais:São de dois tipos gerais:

- Aquelas que envolvem a liberação de energia: - Aquelas que envolvem a liberação de energia:

CATABOLISMOCATABOLISMO

- Aquelas envolvidas na utilização da energia: - Aquelas envolvidas na utilização da energia:

ANABOLISMOANABOLISMO

Muitos dos mecanismos metabólicos microbianos são Muitos dos mecanismos metabólicos microbianos são

também utilizados pelos macro organismos, inclusive o também utilizados pelos macro organismos, inclusive o

homem.homem.

Produção de energiaProdução de energia

Requerimentos de energia:Requerimentos de energia:

Síntese dos componentes celulares: parede, membrana, Síntese dos componentes celulares: parede, membrana, etc.etc.

síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, fosfolipídiosfosfolipídios

reparos e manutenção da célulareparos e manutenção da célula crescimento e multiplicaçãocrescimento e multiplicação acumulação de nutrientes e excreção de produtos acumulação de nutrientes e excreção de produtos

indesejáveisindesejáveis motilidademotilidade

Fontes de energiaFontes de energia

Para a Para a maioriamaioria dos microrganismos dos microrganismos a energia é retirada de moléculas a energia é retirada de moléculas químicas (nutrientes, substratos)químicas (nutrientes, substratos)

Para outros a energia é proveniente Para outros a energia é proveniente da luz.da luz.

Quimiotróficos(utilizam substâncias

químicas como fonte de energia)

QuimiolitotróficosC= CO2

QuimiorganotróficosC=orgânico

A maioria dos microrganismos

Principais fontes de energiaPrincipais fontes de energia

Quimiorganotróficos Quimiorganotróficos (quimioheterotróficos)(quimioheterotróficos)- substâncias orgânicas:- substâncias orgânicas:

Streptococcus lactisStreptococcus lactis

glicose glicose ácido lático + energiaácido lático + energia

Quimiolitotróficos Quimiolitotróficos (quimioautotróficos)(quimioautotróficos)

- - substâncias inorgânicas:substâncias inorgânicas:

Nitrosomonas europaeaNitrosomonas europaeaAmônia + COAmônia + CO22 nitrito + energianitrito + energia

FototróficosFototróficos

Anabaena cylindrica Anabaena cylindrica (cianobactéria)(cianobactéria)

LuzLuz energiaenergia

Compostos que armazenam Compostos que armazenam energiaenergia

Mais importante nos seres vivos

Fluxo da energia

A concentração de ATP na célula é baixa.

Numa célula em plena atividade chega a 2 mM

Em motores a explosão ou em turbinas o rendimento oscila em torno de 30%.

Produção de ATP pelos Produção de ATP pelos microrganismosmicrorganismos

Mecanismos:Mecanismos:

Fosforilação em nível de substratoFosforilação em nível de substrato: :

O grupo fosfato de um composto químico é removido e O grupo fosfato de um composto químico é removido e adicionado diretamente ao ADPadicionado diretamente ao ADP

Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa

FotofosforilaçãoFotofosforilação

►►Fosforilação é a adição de um grupo fosfato (POFosforilação é a adição de um grupo fosfato (PO44) a outra molécula) a outra molécula

O grupo fosfato é adicionado a algum intermediário tornando-se de alta energia que pode ser transferido ao ADP.

Reações OXI-RED internamente balanceadas: alguns átomos do substrato tornam-se mais reduzidos, enquanto outros mais oxidados

Fosforilação em nível de substratoFosforilação em nível de substrato

Fosforilação em nível de substratoFosforilação em nível de substrato

Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa::A energia liberada pela oxidação de compostos A energia liberada pela oxidação de compostos químicos é utilizada na síntese de ATPquímicos é utilizada na síntese de ATP

FotofosforilaçãoFotofosforilação

Produção de ATP pelos Produção de ATP pelos microrganismosmicrorganismos

Oxidação: perda de elétrons (ou também perda de H)

H H+ + e-

Fe++ Fe+++ + e-

COOH-CH2-CH2-COOH COOH-CH=CH-COOH + 2H

(ácido succínico)

A Fosforilação oxidativa envolve uma cadeia de transporte de elétrons (CTE - série de reações integradas)

► energia liberada aos poucos e mais eficientemente (até 45 %)

• sistema O/R: próximo membro do sistema tem maior capacidade para receber elétrons

• doador (O/R)1 (O/R)2 (O/R)3 (O/R)4 aceptor nutriente composto oxidado

Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa

Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa

Fosforilação oxidativa

Fosforilação em nível de substratoFosforilação em nível de substrato

Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa

Fotofosforilação:Fotofosforilação:

A energia da luz é utilizada para a síntese de A energia da luz é utilizada para a síntese de ATPATP

Produção de ATP pelos Produção de ATP pelos microrganismosmicrorganismos

Fotofosforilação

O NADPH é utilizado para reduzir o CO2: Processo de fixação do CO2

Organização do complexos protéicos na membrana fotossintética de uma bactéria fototrófica.O gradiente de prótons gerado pela luz é utilizado na síntese de ATP, catalisada pela ATP sintase.

Carreadores de elétrons

Numa reação de oxidação-redução, a transferência de elétrons normalmente requer a participação de intermediários, denominados carreadores.

Classes:

- Que se difundem livremente: NAD+, NADP+

- Associados à membrana:Flavoproteínas FMN/FADProteínas com Fe e SQuinonas

NAD+ + 2 e- + 2 H+ → NADH + H

bom doador

Vias de degradação de nutrientes para Vias de degradação de nutrientes para produção energiaprodução energia

Microrganismos que obtém energia de nutrientes orgânicos (Quimiotróficos) devem inicialmente decompor os nutrientes em compostos que possam ser utilizados para a produção de energia.

Vias de degradação de nutrientes para produção Vias de degradação de nutrientes para produção energiaenergia

Vias de degradação de nutrientes para Vias de degradação de nutrientes para produção energiaprodução energia

Vias catabólicasVias catabólicas glicóliseglicólise regeneração do NADregeneração do NAD++

Fermentação:Fermentação:O NAD é regenerado utilizando um aceptor produzido O NAD é regenerado utilizando um aceptor produzido pela própria célulapela própria célula

Respiração aeróbiaRespiração aeróbia Respiração anaeróbiaRespiração anaeróbia

Todas as vias também fornecem precursores para a biossínteseTodas as vias também fornecem precursores para a biossíntese

Glicólise

quantidade limitada na célula

Lactobacilos

Leveduras

Enterobactérias

Síntese da FermentaçãoSíntese da Fermentação

ausência de aceptores externos de elétronsausência de aceptores externos de elétrons

reações de oxidação e redução de um composto reações de oxidação e redução de um composto

orgânico orgânico balanceadas internamentebalanceadas internamente

fosforilação em nível de substratofosforilação em nível de substrato

Pouca eficiência na produção de de energia:Pouca eficiência na produção de de energia:

(2 ATP/mol de glicose)(2 ATP/mol de glicose)

Maior parte da energia retida no produto final:Maior parte da energia retida no produto final:

O álcool tem alto teor energéticoO álcool tem alto teor energético

Vias catabólicasVias catabólicas glicóliseglicólise regeneração do NADregeneração do NAD++

FermentaçãoFermentação

Respiração aeróbia:Respiração aeróbia:o NADH doa elétrons para o sistema de transporte de o NADH doa elétrons para o sistema de transporte de elétrons para regenerar o NAD.elétrons para regenerar o NAD.O aceptor final de elétrons é o oxigênioO aceptor final de elétrons é o oxigênioResulta também na geração da força protomotiva e Resulta também na geração da força protomotiva e produção de mais ATPprodução de mais ATP

Respiração anaeróbiaRespiração anaeróbia

O ciclo de Krebs(ciclo do ácido cítrico)

A degradação da glicose por organismos aeróbios normalmente não para com a produção do ácido pírúvico.

Cada molécula de NADH pode doar elétrons para o sistema de transporte para geração da força protomotiva e geração de

ATP.

Fosforilação oxidativa

Síntese da Respiração aeróbiaSíntese da Respiração aeróbia

reações de oxidação e redução em reações de oxidação e redução em presença de um aceptor de elétrons presença de um aceptor de elétrons externoexterno

A molécula inteira do substrato é oxidadaA molécula inteira do substrato é oxidada alto potencial de energiaalto potencial de energia grande quantidade de ATP é gerada: 38 grande quantidade de ATP é gerada: 38

ATPsATPs

Respiração anaeróbiaRespiração anaeróbia

aceptor final de elétrons diferente do Oaceptor final de elétrons diferente do O22

oxidação de substratos orgânicos ou oxidação de substratos orgânicos ou inorgânicos:inorgânicos:

CC66HH1212OO66 + 12 NO + 12 NO33-- 6CO 6CO22 + 6H + 6H22O + 12NOO + 12NO22

--

2 lactato + SO2 lactato + SO44== + 4H + 4H++ 2 acetato + 2CO 2 acetato + 2CO22 + S + S== + H + H22O O

Nenhum desses aceptores são eletropositivos quanto o O2/H2O.

Assim, menos energia é liberada.

Em contrapartida, o uso desses aceptores alternativos permitem os microrganismos respirarem na ausência de O2, com grande importância ecológica.

Utilização de energiaUtilização de energia

Generalidades sobre as vias Generalidades sobre as vias biossintéticas:biossintéticas:

1)1) As vias começam com a síntese das unidades As vias começam com a síntese das unidades

estruturais simplesestruturais simples

2)2) As unidades estruturais são ativadas com a As unidades estruturais são ativadas com a

energia de moléculas energia de moléculas como o ATP, GTP, NADH, como o ATP, GTP, NADH,

NADPHNADPH

3)3) As unidades estruturais são unidas para formar As unidades estruturais são unidas para formar

substâncias complexas da célula.substâncias complexas da célula.

Fornecimento de precursores de aminoácidos

BiossínteseBiossíntese

PolímerosPolímeros

Polissacarídeos (ex: Polissacarídeos (ex: peptideglicano) são sintetizados a peptideglicano) são sintetizados a partir de hexoses como o UDP-partir de hexoses como o UDP-GlicoseGlicose

A ativação do monossacarídeo A ativação do monossacarídeo utiliza energia do ATP e UTP utiliza energia do ATP e UTP (uridina trifosfato)

Ácidos nucléicosÁcidos nucléicos

ATP

AminoácidosAminoácidos

Ácidos graxosÁcidos graxos

Para biossíntese de Para biossíntese de lipídeoslipídeos

Energia fornecida pelo NADPH

Síntese do peptidoglicano