Produção de energia por microrganismos

• Metabolismo microbiano

Anabolismo

Catabolismo

O conhecimento do metabolismo celular é essencial para o entendimento da

bioquímica do crescimento microbiano

Consumo de energia

Liberação de energia

INTRODUÇÃO:

• Uma maior compreensão do metabolismo ajuda no desenvolvimento de procedimentos laboratoriais para cultivo de microrganismos e também na pesquisa de novos métodos para prevenção do crescimento de microrganismos indesejáveis.

• Relação entre:

Crescimento e Metabolismo ⇔ Doenças Infecciosas ⇔ Práticas Médicas e Indústria Microbiológica/Farmacêutica

CONCEITOS:

• Autotróficos e Heterotróficos → "troph" = alimentos

Tipos de fisiologia

fonte de energia fonte de carbono fonte de elétronAutotrófico CO2 Heterotrófico moléculas orgânicas Foto- luz solarQuimio- substâncias químicasOrganotrófico moléculas orgânicasLitotrófico moléculas inorgânicas

- Tipos de metabolismo

Quimiorganotrófico (heterotróficos)Quimiolitotrófico (quimioautotrófico)Fotolitotrófico (fotoautotrófico)Fotorganotróficos (fotoheterotróficos)

A) Síntese de ATP: » via catabólica energiaenergia

substrato inicial produto finalsubstrato inicial produto final

» fosforilação a nível de substratoADP + Pi + energia ATPADP + Pi + energia ATP

» redução de coenzimas NAD+ + 2e- + 2H+ NADH + H+NAD+ + 2e- + 2H+ NADH + H+ FAD+ + 2e- + 2H+ FADHFAD+ + 2e- + 2H+ FADH22

ATP

ADP + Pi

B) Metabolismo de bactérias quimioheterotróficas:

» Principal composto orgânico: GlucoseGlucose

» Dois mecanismos: RespiraçãoRespiração (oxidação completa de substâncias orgânicas) FermentaçãoFermentação (oxidação parcial de substâncias orgânicas)

VIAS DE OBTENÇÃO DE ENERGIA → Oxidação de compostos orgânicos e conservação de energia sob a forma de ATP → "GLICÓLISE "

VIAS DE OBTENÇÃO DE ENERGIA

1) RESPIRAÇÃO: um processo gerador de ATP no qual um composto inorgânico (como o oxigênio) funciona como o aceptor final de elétrons. O doador de elétrons pode ser um composto orgânico ou inorgânico. Podemos ter dois tipos de respiração → AERÓBICA e ANAERÓBICA

1.a) RESPIRAÇÃO AERÓBICA: se oxigênio é aceptor final de elétrons, todas as moléculas de substrato podem ser completamente oxidadas a CO2 e uma grande quantidade de ATP é gerada.

1.a) RESPIRAÇÃO AERÓBICA:

glucose (Cglucose (C66HH1212OO66) + 6 O) + 6 O22 COCO22 + 6 H + 6 H22OO

três partes: vias glicolíticasvias glicolíticas ciclo de Krebs ciclo de Krebs fosforilação oxidativa fosforilação oxidativa

vias glicolíticas: Embden Meyerhof vias glicolíticas: Embden Meyerhof (eucariotos e procariotos)Entner-Doudoroff Entner-Doudoroff (procariotos)Via das pentoses-fosfato Via das pentoses-fosfato (eucariotos e procariotos)

Fosforilação Oxidativa

1.b) Respiração: oxidação completa de substâncias orgânicas

o aceptor final de elétrons é uma substância inorgânica diferente do oxigênio.

• Pseudomonas e Bacillus → Nitrato (NO3-) reduzido a Nitrito (NO2-), Óxido Nitroso (N2O) ou Gás Nitrogênio (N2);

• Desulfovibrio → Sulfato (SO42-) formando Sulfeto de Hidrogênio H2S;

• Outras bactérias → Carbonato (CO32-) formando Metano (CH4)

1.b) RESPIRAÇÃO ANAERÓBICA:

• Em anaerobiose: → Ciclo de Krebs funciona parcialmente; → Nem todos transportadores participam da cadeia de transporte de elétrons;

O rendimento de ATP mais baixo do que na respiração aeróbica → Anaeróbicos crescem mais lentamente que os aeróbicos → DIFICULDADES NO DIAGNÓTICOS DE INFECÇÕES

1.b) RESPIRAÇÃO ANAERÓBICA:

• O uso destes aceptores de elétrons alternativos permitem que determinados organismos respirem onde o oxigênio está ausente.

• A respiração anaeróbica por bactérias, utilizando nitrato e sulfato como aceptores é essencial para os ciclos do nitrogênio e enxofre que ocorrem na natureza.

2) Fermentação: oxidação parcial de substâncias orgânicas

Libera energia de açúcares ou moléculas orgânicas, tais como aminoácidos, ácidos orgânicos, purinas e pirimidinas;

Não requer oxigênio (mas algumas vezes pode ocorrer na presença deste);

Não requer o uso do ciclo de Krebs ou uma cadeia de transporte de elétrons;

Utiliza uma molécula orgânica como aceptor final de elétrons;

Produz somente pequenas quantidades de ATP → grande parte da energia permanece nas ligações químicas dos produtos finais orgânicos → Ácido lático ou Etanol.

1.2) FERMENTAÇÃO:

• Um processo gerador de ATP em que compostos orgânicos agem tanto como doadores quanto aceptores de elétrons. A fermentação pode ocorrer na ausência de O2.

"la vie sans air“’ (Pasteur)

USOS INDUSTRIAIS PARA DIFERENTES TIPOS DE FERMENTAÇÃO

COMPARAÇÃO: RESPIRAÇÃO AERÓBICA, ANAERÓBICA E FERMENTAÇÃO

02SubstratoUma molécula orgânica

Aeróbica ou AnaeróbicaFermentação

Variável (menor que 38 e maior

que 2)

Substrato e Oxidativa

Substâncias Inorgânicas que não o oxigênio

AnaeróbicaRespiração Anaeróbica

38 ou 36Substrato e Oxidativa

Oxigênio (O2)AeróbicaRespiração Aeróbica

N° Moléculas de ATP / Glicose

Tipo de Fosforilação

para gerar ATPAceptor FinalCondições de

CrescimentoProcessos

Mitocôndria & Hidrogenossomos: Organelas especializadas no metabolismo energético quimiotrófico

• Mitocôndria → mecanismo de síntese de ATP em céls eucarióticas aeróbias → respiração e fosforilação oxidativa

• Hidrogenossomos → mecanismo de síntese de ATP em céls eucarióticas anaeróbias ou aerotolerantes → metabolismo estritamente fermentativo

Mitocôndria

- Morfologia bacilar ou quase esférica → apresenta considerável plasticidade → dimensões de uma célula procariótica

- A membrana mitocondrial não possui esteróis e apresenta inúmeros canais pequenos que permitem a passagem de íons e de pequenas moléculas orgânicas → O ATP produzido no interior da mitocôndria move-se para o citoplasma

- O número de mitocôndrias vai depender do tamanho da célula eucariótica → Ex: Célula animal pode conter 1000 mitocôndrias

• Fotossíntese → Conversão de energia luminosa em energia química

• Pigmentos sensíveis a luz → Clorofila

• Geralmente são visíveis por microscopia óptica → são maiores que as bactéria

• Teoria da endossimbiose → Relativa autonomia e semelhança com bactérias→ descendência de antigos procariotos

• Célula eucariótica → Quimera genética contendo DNA de duas origens distintas → do endossimbionte e da célula hospedeira

• Evidências: → estudos moleculares 1) Mitocôndrias e cloroplastos contém DNA e seus próprios ribossomos (70S)

2) O núcleo eucariótico contém genes derivados de Bacteria

3) Especificidade aos antibióticos

4) Filogenia molecular → estudos filogenéticos comparando rRNA relacionam mitocôndrias e cloroplastos com o domínio Bacteria

• Endossimbiose → Sucesso evolutivo