Metabolismo microbiano

1. Conceitos básicos2. Classes microbianas 3. Quimiotrofia 4. Fototrofia5. Quimiolitotróficos 6. Integração metabólica

MetabolismoDo grego metabole = mudança, transformação

1.Conceitos básicos

METABOLISMO

Conjunto das reações bioquímicas que ocorrem dentro da célula

Catabolismo

BIODEGRADAÇÃO

Anabolismo

BIOSSÍNTESE

Obtenção de energia

Energia

compostos orgânicos

compostos inorgânicos

luz

A partir de:

• A energia liberada das reações deve ser conservada para utilização pelas células.

• A energia é armazenada em ligações químicas de alta energia (fosfato) em moléculas

simples, de forma a ser prontamente utilizável.

Estocagem da energia

O ATP é o composto de alta energia mais importante nos seres vivos.

Apesar disso sua concentração nas células é relativamente baixa, sendo consumido ao mesmo tempo em que é produzido.

Para o armazenamento de energia por períodos longos, os microrganismos produzem polímeros insolúveis que podem ser oxidados posteriormente.

Ex.: polímeros de glicose (amido e glicogênio), polímeros lipídicos, PHAs (biopoliéster).

Ralstonia eutropha

A célula produz energia para:

• Síntese de seus componentes: parede, membrana, etc.

• síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, etc.

• reparos e manutenção

• crescimento e multiplicação

• acumulação de nutrientes e excreção de produtos indesejáveis

• motilidade

Utilização de energia

a) As reações metabólicas ocorrem de forma gradual (etapas) nas

quais os átomos dos intermediários são re-arranjados até a formação

do produto final.

b) Cada etapa requer uma enzima específica

c) A sequência das reações, começando pelos primeiros ingredientes

até ao produto final, se denomina VIA METABÓLICA.

Vias metabólicas

As reações de oxi-redução (redox)

Nas vias metabólicas é importante considerar as reações de oxidação e redução:

- 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

- Um conposto se torna oxidado quando:

1. Perde elétrons2. Se liga a um átomo mais eletronegativo 3. Isto geralmente ocorre quando se liga ao oxigênio

Formas reduzidas de C (carbohidratos, metano, lipídios, álcoois) são responsáveis por importantes estocagens de energia em suas ligações.

Formas oxidadas de C (cetonas, aldeídos, ácidos carboxílicos e CO2) dispõem de pequeno potencial energético em suas ligações.

OXIDAÇÃO-REDUÇÃO DE COMPOSTOS DE ALTA ENERGIA

O doador de elétrons é referido como fonte de energia.

A quantidade liberada de energia depende da natureza do doador quanto do receptor.

As Enzimas que catalizam as reações requerem o transporte de elétrons de uma parte para a outra da via metabólica.

Moléculas relativamente pequenas realizam o transporte.

Classes:

- Que se difundem livremente: NAD+, NADP+

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

NAD+ + 2 e- + 2 H+ → NADH + H

alto potencial redutor

As células contém uma quantidade limitada de NAD, sendo que sua forma reduzida NADH2 precisa ser continuamente re-oxidada para manter o processo metábólico.

Transportadores de elétrons

TRANSPORTADORES DE ELÉTRONS

São intermediários nas reações de oxidação-redução em células:

NAD - nicotinamida adenina dinucleotídeo (coenzima)FAD – flavina-adenina mononucleotídeo (flavoproteína)FMN – flavina mononucleotídeo (flavoproteína)Citocromos (protéico)Quinonas (não protéico)

São responsáveis pela eficiência na obtenção de energia.

Estágios das reações:

1 - remoção dos elétrons

2 - transferência

3 - adição ao aceptor final

2. Classes microbianas

Fluxo da energia

A concentração de ATP na célula é baixa.

Numa célula em plena atividade chega a 2 mM

Rendimento de até 45%

Fosforilação

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:

Aeróbia: o aceptor externo é o oxigênioAnaeróbia: aceptores diferentes do oxigênio (nitrato, sulfato,

carbonato, ...)

2. FERMENTAÇÃO: ocorre na ausência de aceptores externos de elétrons (fosforilação em nível de substrato)

1. 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 ácido

pirúvico

2. Pequena quantidade de ATP é

produzida

3. Pequena quantidade de NAD é

reduzida a NADH

1ª etapa: Via Glicolítica ou GlicóliseÉ considerada a via metabólica mais primitiva, presente em todas as formas de vida atuais.

Ocorre no citoplasma das células.

Diversas vias glicolíticas

Quatro vias glicolíticas importantes nos diferentes microrganismos:

1. Via Embden-Meyerhoff-Parnas (EMP)

Glicólise “clássica”

Presente em todos os organismos vivos

2. Via Hexose monofosfato (HMP)

Presente em quase todos os

organismos

Responsável pela síntese das pentoses

usadas na síntese de nucleotídios

3. Via Entner-Doudoroff (ED)

Encontrada nas Pseudomonas e

gêneros relacionados

4. Via Fosfoketolase (FK)

Encontrada no gênero Bifidobacterium

e Leuconostoc

Produção direta de 1 GTPguanosina trifosfato (equivalente ao ATP)

Além do papel-chave nas reações catabólicas, o ciclo de Krebs é importante nas reações biossintéticas.

Os intermediários são desviados para vias biossintéticas quando necessário:

Exemplos:

α-cetoglutarato: precursor de aminoácidos

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.

As 3 etapas da via respiratória

Fosforilação oxidativa

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

Geração da força protomotiva

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 é gerada: 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

Respiração anaeróbia

•É uma variação alternativa da respiração aeróbia: o aceptor de elétrons não é o oxigênio.

Uma implicação é que rendimento energético é inferior: nenhum dos aceptores alternativos apresenta potencial tão oxidante quanto o oxigênio.

Em contrapartida, o uso de aceptores alternativos permitiram os microrganismos respirarem em ambientes sem oxigênio, sendo de extrema importância ecológica.

Uma aplicação importante que ganhou muita atenção nos dias atuais é a utilização de processos anaeróbios no tratamento de efluentes:

Aceptor final de elétrons diferente do O2

Exemplos:

• C6H12O6 + 12 NO3- 6CO2 + 6H2O + 12NO2

-

• 2 lactato + SO4= + 4H+ 2CO2 + S= + H2O + 2 acetato

A respiração anaeróbia, exclusividade dos procariotos, só ocorre em

ambientes onde o oxigênio é escasso, como nos sedimentos ou próximo

de nascentes hidrotermais submarinas.

2. Fermentação (também é uma forma de respiração anaeróbia)

Reação de oxidação-redução internamente balanceada. Ausência de aceptores externos.

A concentração de NADH nas células é baixo, precisando ser re-oxidado para não cessar a via glicolítica.

A redução do piruvato a etanol ou outros produtos de 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

As vias fermentativas são úteis na identificação bioquímica:

Fermentação de múltiplos ácidos • Escherichia coli• Base para teste Vermelho de Metila (VM)

Fermentação 2,3-Butanodiol • Enterobacter aerogenes• Base para o teste de Voges-Proskauer (VP)

Também são utilizadas na indústria:

Sínteses de compostos orgânicos importantes

FototropiaA utilização da energia da luz - Fotossíntese

a. Fotossíntese oxigênica

Presente nas cianobactérias e nos cloroplastos dos eucariontes (microalgas por ex.)

Doador de elétrons é H2O: sua oxidação gera o O2 como subproduto.

Dois fotossistemas: PSI e PSII Maior função é produzir NADPH e ATP

para a fixação de C (produção de matéria orgânica)

Cloroplasto

CianobactériasFotossistemas em lamelas

Fotossíntese oxigênica

Cianobactérias

Fotofosforilação

O NADPH é utilizado para reduzir o CO2 no processo de fixação do CO2

A energia da luz é utilizada para a síntese de ATP

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

Bactérias verdes

Bacterioclorofilas e carotenóides

Yellowstone Park,USA

Fotossíntese anoxigênica (bactérias púrpuras)

Fotofosforilação ciclica

Geração de poder redutor para a redução do CO2.

Quimiolitotrofia

Características

Elétrons são removidas de doadores inorgânicos.

Os elétrons passam através de uma membrana ligada a um

sistema de transporte de elétrons geralmente acoplado a

síntese de ATP e NADH.

Os elétrons finalmente passam para um receptor final

ATP e NADH são usados para converter CO2 em carboidrato

Exemplos de doadores de elétrons:

Amônia (NH4+) Nitrito (NO2

-) nas Nitrosomonas

Nitrito (NO2-) Nitrato (NO3

2-) nas Nitrobacter

Sulfeto de hidrogênio (H2S) Enxofre (So) em Thiobacillus, Beggiatoa,

Thiomargarita

Enxofre (So) Sulfato (SO42-) em Thiobacillus

Hidrogênio (H2) Água (H2O) em Alcaligenes

Thiomargarita namibiensis: uma bactéria gigante

Exemplos de receptores de elétrons

Oxigênio (O2) água (H2O) em diversos organismos

Dióxido de carbono (CO2) Metano (CH4)nas bactérias metanogênicas

4H2 + CO2 CH4 + 2H2O

Delta G° = -31 kcal/mol

Utilização da energia

AçúcaresAminoácidosNucleotídeosÁcidos graxos

Generalidades:

• As vias começam com a síntese das unidades estruturais simples.• As unidades estruturais são ativadas

com a energia de moléculas como o ATP e GTP.

• As unidades estruturais são unidas para formar substâncias complexas da célula.

Integração do catabolismo e anabolismo

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7f/Ciclo_de_Krebs.svg

Ex. Fornecimento de precursores para biossíntese aminoácidos