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Metabolismo Microbiano
1. Conceitos básicos2. Classes microbianas 3. Quimiotrofia 4. Fototrofia5. Quimiolitotróficos 6. Integração metabólica
Produção de Energia e Biossíntese
Pelczar, Caps. 11 e 12, páginas 290 - 330
1. Introdução
Metabolismo:
• toda a atividade química realizada por toda a atividade química realizada por um organismo e seu maquinário.um organismo e seu maquinário.
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• EE = capacidade de realizar = capacidade de realizar
trabalhotrabalho
químicaquímica
luminosaluminosa
E
Requerimentos de energia:
2. Produção de Energia (E)
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
Tipos de energia
Energia química – energia contida em ligações químicas das moléculas
Energia radiante (energia da luz) – deve ser convertida em energia química
Quimiotróficos(utilizam substâncias
químicas como fonte de energia)
QuimiolitotróficosC= CO2
QuimiorganotróficosC=orgânico
Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte de energia e carbono
Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte de energia e carbono
Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte de energia e carbono
Tipo fisiológico Fonte de Energia Fonte de Carbono
Foto Luz
Quimio Química
Organotrófico/heterotrófico Moléculas orgânicas
Autotrófico/litotrófico Moléculas inorgânicas
Fotoautotrófico = plantas, cianobactérias, algas verdesFotoorganotrófico/hetero = bactérias púrpuras, exceto as abaixoFotolitotróficas = bactérias púrpuras metabolizantes do S
Quimioautotrófico = Archaea metanogênicasQuimiorganotrófico/hetero = maioria bactérias e fungosQuimiolitotrófico = bactérias nitrificadoras
Enzimas
• Catalisadores das reações• Aumentam as velocidades de reação de 108 a 1020 vezes• Tem sítios ativos de ligação do substrato• Podem conter outras moléculas acopladas
• Grupos prostéticos – grupo heme dos citocromos é um exemplo• Coenzimas – derivadas de vitaminas (NAD+/NADH)
• Terminação ase ao seu substrato• Celulase: degradam celulose• Glicose-oxidase: catalisa a oxidação da glicose• Ribonuclease: decompõe acido ribonucleico• Lisozima: cliva o peptideoglicano
Catalise e enzimas
Reação exergônica
COMPLEXO ENZIMA-SUBSTRATO
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
Armazenamento de energia
(Madigan et al., 2010)
Ligacoes tioéster
O ATP é o composto de alta energia mais importante nos seres vivos.
Apesar disso, sua concentração nas células é relativamente baixa.
Para o armazenamento de energia por períodos longos, os microrganismos produzem polímeros insolúveis.
Ex.: polímeros de glicose (amido e glicogênio), polímeros lipídicos, PHAs (biopoliéster).
Ralstonia eutropha
Compostos ricos em energia: armazenamento e transferência de
energia (a longo prazo) Procariotos:
GlicogenioPoli-β-hidroxibutiratoPoli-idroxialcanoatosS (elementar)
EucariotosPoliglicose na forma de amidoLipídeos na forma de gorduras
Fermentação
Respiração
4. Geração de ATP por 4. Geração de ATP por microrganismosmicrorganismos
Síntese de ATP acopladaa reações de óxido-redução
Ausência de aceptoresexógenos de elétrons
O2 ou outro composto como aceptor exógeno de elétrons
Menos E
Mais E
Oxidação = perda de e- (liberam energia)
Redução = ganho de e- (requerem energia)
As reações de oxi-redução (redox)
-Um composto se torna oxidado quando:
1. Perde elétrons2. Se liga a um átomo mais eletronegativo 3. Isto geralmente ocorre quando se liga ao oxigênio
- Um composto se torna reduzido quando:
1. Ganha elétrons2. Se liga a um átomo menos eletronegativo 3. E geralmente isto ocorre quando se liga ao hidrogênio
Formas reduzidas de C (carboidratos, metano, lipídios, álcoois) são importantes estoques de energia em suas ligações.
Formas oxidadas de C (cetonas, aldeídos, ácidos carboxílicos e CO2) dispõem de pequeno potencial energético em suas ligações.
Mecanismos para conservação de energia(Síntese de ATP)
Os quimiotróficos apresentam dois mecanismos conhecidos:
1. Respiração: atuam aceptores externos de elétrons (fosforilação oxidativa)Podendo ser:
a) Aeróbia: o aceptor externo é o oxigêniob) Anaeróbia: aceptores diferentes do oxigênio (nitrato, sulfato,
carbonato, ...)
2. Fermentação: ocorre na ausência de aceptores externos de elétrons (fosforilação a nível de substrato)
1a) Respiração aeróbia É o procedimento mais comum às células e compreende 3 etapas:
1) Piruvato (glicólise quando o substrato é a glicose)2) Ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs)3) Cadeia respiratória
Características:
1. Oxidação parcial da glicose a piruvato
2. Pequena quantidade de ATP é gerada
(produção líquida de 2 ATP)
3. Pequena quantidade de NAD é
reduzida a NADH
1ª etapa: Piruvato (via glicolítica)É considerada a via metabólica mais primitiva, presente em todas as formas de vida atuais.
Ocorre no citoplasma das células.
Produção direta de 1 GTPguanosina trifosfato (equivalente ao ATP)
Além do papel-chave nas reações catabólicas, é importante nas reações biossintéticas.
Os intermediários são desviados para vias biossintéticas quando necessário:
Exemplos:
Oxalacetato: precursor de aminoácidos
Succinil-CoA: formação de citocromos e da clorofila, entre outros
Acetil-CoA: biossíntese de ácidos graxos
2ª etapa: Ciclo de KrebsOcorre no citoplasma (procariotos) e nas mitocôndrias (eucariotos).
Reações preparatórias: formação de composto chave do processo
3ª etapa: Cadeia respiratória (sistema de transporte de elétrons)Ocorre ao nível da membrana das mitocôndrias (eucariotos) e na membrana citoplasmática (procariotos)
Os prótons e elétrons recolhidos na glicólise pelo NAD
e no Ciclo de Krebs pelo NAD e FAD são transportados
ao longo de uma cadeia de citocromos em níveis
sucessivamente mais baixos de energia de modo que
seja melhor aproveitada na formação de ATP.
Geração da força protomotiva
Fosforilação oxidativa
As 3 etapas da via respiratória
Síntese da respiração aeróbia
• Reações de oxidação e redução em presença de um aceptor de elétrons externo, o O2
• A molécula inteira do substrato é oxidada até CO2
• Alto potencial de energia• Grande quantidade de ATP pode ser gerada: teoricamente até 38 ATPs
Produção de ATP:
Na cadeia respiratória:
4 NADH formados na glicólise geram 12 ATP
6 NADH formados no ciclo de Krebs geram 18 ATP
2 FADH formados no ciclo de Krebs geram 4 ATP
Formação direta na Glicólise 2 ATP
Formação direta no Ciclo de Krebs 2 GTP
Total de até .................................................... 38 ATP
1b) Respiração anaeróbia
É uma variação alternativa da respiração aeróbia: o aceptor de elétrons não é o
oxigênio.
• Uma implicação é o rendimento energético inferior: nenhum aceptor alternativo
apresenta potencial tão oxidante quanto O2.
• O uso de aceptores alternativos permitem os microrganismos respirarem em
ambientes sem oxigênio, sendo de extrema importância ecológica.
• Oxidação de substratos orgânicos ou inorgânicos:
C6H12O6 + 12 NO3- 6CO2 + 6H2O + 12NO2
-
2 lactato + SO4= + 4H+ 2 acetato + 2CO2 + S= + H2O
• Quantidade de energia produzida é menor
2. Fermentação (também é uma forma de respiração anaeróbia. Ocorre no citossol)
Reação de oxidação-redução internamente balanceada. Ausência de aceptores externos.
A concentração de NAD+ nas células é baixo, precisando ser re-oxidado para não cessar a via glicolítica.
A redução do piruvato a etanol ou outros produtos restabelece o NAD e permite a continuidade da glicólise .
Produção líquida de apenas
2 ATP.
Características da Fermentação:
Ácido pirúvico é reduzido a ácidos orgânicos e álcoois
NADH é oxidado a forma NAD: essencial para operação
continuada da via glicolítica
O2 não é necessário
Não há obtenção adicional de ATP.
Gases (CO2 e/ou H2) podem ser produzidos
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
FototropiaA utilização da energia da luz - Fotossíntese
a) Fotossíntese oxigênica
Presente nas cianobactérias e nos cloroplastos dos
eucariontes (algas por ex.)
Doador de elétrons é H2O: sua oxidação gera o O2
Dois fotossistemas: PSI e PSII
Maior função é produzir ATP e NADPH para a
fixação de carbono.
Cloroplasto de eucariotos
CianobactériasFotossistemas em lamelas
Fotossíntese oxigênica
Cianobactérias
O NADPH é utilizado para reduzir o CO2 no processo de fixação do carbono
FotofosforilaçãoA energia da luz é utilizada para a síntese de ATP
b) Fotossíntese anoxigênica Doadores de elétrons variam:
H2S or So nas bactérias verdes e púrpuras sulfurosas
H2 ou compostos orgânicos em bactérias verdes e púrpuras não sulfurosas Apenas um fotossistema
Bactérias verdes tem foto-sistema semelhante ao PSI Bactérias púrpuras tem foto-sistema semelhante ao PSII
Principal função é produzir ATP via fotofosforilação
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.
Utilização de energia
Biossíntese de Compostos Nitrogenados
N2 N inorgânico (NH3+)
Aminoácidos
Arranjo de aminoácidos
Proteínas/enzimas Purinas e pirimidinas
Nucleotídeos
Ácidos nucléicos (DNA, RNA)
Fornecimento de precursores de aminoácidos
(Madigan et al., 2004)
Biossíntese de nucleotídeos e ácidos nucléicos
Nucleotídeo = base nitrogenada-pentose-fosfato
ribose = ribonucleotídeos (RNA)
desoxirribose = desoxirribonucleotídeos (DNA)
Ativação dos nucleotídeos (ATP)
Síntese de ácidos nucléicos a partir de nucleotídeos ativados
(Madigan et al., 2004)
Biossíntese de nucleotídeos e ácidos nucléicos
Biossíntese de carboidratos
Triose
Pentoses e hexoses
Nucleotídeos Polissacarídeos(peptidoglicano,
celulose, amido, etc.)
CO2
RNA e DNA
Biossíntese de ácidos graxos
Ácido pirúvico
Acetil CoA e Malonil CoA
Ácidos graxos de cadeia longa
Glicose
Fosfolipídios
Glicólise
Glicerol fosfato
Outras utilizações de energia
Transporte
Motilidade
Reparos
Produção de estruturas de resistência (endosporos)