Metabolismo Microbiano

Produção de Energia e Biossíntese

Diversidade Microbiana

Produção de energia

• Requerimentos de energia:

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

»síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, fosfolipídios

»reparos e manutenção da célula

»crescimento e multiplicação

»acumulação de nutrientes e excreção de produtos indesejáveis

»motilidade

Diversidade Metabólica Microbiana

(classificação nutricional)

energia é

retirada de

moléculas

químicas

energia é

proveniente

da luz

Compostos que armazenam energia

Mais importante nos seres vivos

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 oxidados,

enquanto outros mais reduzidos

•FOSFORILAÇÃO EM NÍVEL DE SUBSTRATO: O grupo fosfato de um composto químico é removido e adicionado

diretamente ao ADP

Produção de ATP pelos Micro-organismos

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

• 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

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA: A energia liberada pela oxidação de compostos químicos é utilizada na síntese de ATP

Produção de ATP pelos Micro-organismos

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.

FOTOFOSFORILAÇÃO:

A energia da luz é utilizada para a síntese de ATP

Produção de ATP pelos Micro-organismos

Vias de degradação de nutrientes para produção energia

Vias de degradação de nutrientes para produção energia (metabolismo primário)

• Vias catabólicas

Glicólise (imp: formação do Piruvato) – Fermentação – Respiração aeróbia – Respiração anaeróbia

Todas as vias também fornecem precursores para a biossíntese

O Piruvato pode seguir 3 rotas metabólicas:

• organismos aeróbicos RESPIRAÇÃO AERÓBICA

– Piruvato é oxidado, perdendo CO2;

– Acetil CoA - ciclo do ácido cítrico - é então totalmente oxidado a CO2;

– Os elétrons originados são passados para o O2 - cadeia transportadora formando H2O.

– A energia liberada nas reações de transferência de elétrons permite a síntese de ATP nas mitocôndrias.

• organismos anaeróbicos: possuem 2 rotas – Redução do piruvato a lactato através da fermentação do ácido

lático.

– Metabolismo do piruvato, tendo como produto o etanol (fermentação alcoólica)

Respiração Aeróbia

• reações de oxidação e redução em presença de um aceptor de elétrons (OXIGÊNIO)

• A molécula inteira do substrato é oxidada

• alto potencial de energia

• grande quantidade de ATP é gerada

• Glicólise CK CR ATP

Respiração Anaeróbia

• aceptor final de elétrons diferente do O2

• oxidação de substratos orgânicos ou inorgânicos: NITRATOS, SULFATOS E CARBONATOS

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

-

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

A respiração anaeróbia restrita, exclusividade dos procariotos, só ocorre

em ambientes onde o oxigênio é escasso ou nulo, como nos sedimentos

marinhos e lacustres ou próximo de nascentes hidrotermais submarinas.

Rendimento: mais baixo que a respiração aeróbica, somente uma parte do CK

funciona sob condições anaeróbias e nem todos os transportadores participam

da cadeia.

Respiração Anaeróbica

• Pseudomonas e Bacillus: podem utilizar o íon nitrato (NO-3) como aceptor

final de elétrons. O íon nitrato é reduzido a íon nitrito (NO2-), oxido nitroso

(N2O) ou gás nitrogênio (N2). • Desulfovibrio e Desulfotomaculum: utilizam sulfatos (SO4

2-) como aceptor final de elétrons; oxidação por ex de sulfeto de hidrogênio (H2S).

• Bactérias metanogênicas: utilizam carbonato (CO3

2-) para formar metano (CH4).

Nenhum desses aceptores são eletropositivos quanto o O2/H2O.

Assim, menos energia é liberada.

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

FERMENTAÇÃO

• 1- CONCEITO BIOQUÍMICO: degradação anaeróbia de

compostos orgânicos (glicose), através de processos que

independem de outras vias, por serem capazes de

regenerar as coenzimas que são utilizadas para a

produção de ATP

• 2- CONCEITO BIOTECNOLÓGICO: processo de obtenção de

um produto de origem microbiana através de um

processo controlado

Fermentação Homolática: somente produção de ácido lático

ou

Fermentação Heterolática: mais produtos além de ácido lático

Fermentação Alcóolica

Fermentação Láctica

COMPARAÇÃO ENTRE RESPIRAÇÃO AERÓBICA,

ANAERÓBICA E FERMENTAÇÃO

Processos de

Produção de

Energia

Condições de

Crescimento

Aceptor Final de

Hidrogênio

(elétrons)

Tipo de

Fosforilação

Utilizada para

Gerar ATP

Moléculas de

ATP Produzidas

por Molécula de

Glicose

Respiração

Aeróbica

Aeróbica Oxigênio

molecular

Em nível de

substrato e

Oxidativa

36 ou 38

Respiração

Anaeróbica

Anaeróbica Geralmente uma

substância

inorgânica (NO3-

SO42-)

Em nível de

substrato e

Oxidativa

Variável (menor

que 38 mas maior

que 2)

Fermentação Aeróbica ou

Anaeróbica

Molécula

orgânica

Em nível de

substrato

2

Produção de substâncias/processos

de interesse biotecnológico

Nutrição e Metabolismo Microbiano (primário ou secundário)

IMPORTANTE: PROCESSOS DE OBTENÇÃO DE

ENERGIA PODEM SER UTILIZADOS PARA PRODUÇÃO

DE SUBSTÂNCIAS DE INTERESSE

Metabolismo Secundário • Bactérias, fungos, algas

• Ocorre durante fase estacionária de crescimento

• Aeróbicos, anaeróbicos (facultativos e restritos)

• Necessárias: enzimas biossintéticas específicas (plasmidiais ou cromossomais)

• Produto de interesse: produção constitutiva ou indutiva

• Acúmulo e excreção para o ambiente

• Produtos de interesse industrial, ambiental (Aplicação) – enzimas extracelulares: celulases, hemicelulases, lacases

– Antibióticos: penicilinas, eritromicinas

– Exopolissacarídeos: xantana, gelana, esquizofilana

PROCESSO FERMENTATIVO PARA APLICAÇÃO BIOTECNOLÓGICA É DEPENDENTE:

SUBSTRATO (fonte nutricional)

E

MICRO-ORGANISMO

Substrato:

• Matérias-primas são utilizadas como fonte(s) de substrato(s) e outros nutrientes para o processo fermentativo, agrupadas em função da estrutura e da complexidade molecular dos substratos.

Micro-organismos:

• Isolados a partir de recursos naturais

• Obtenção em coleções de cultura

• Obtenção de mutantes induzidos por métodos convencionais;

• Obtenção de recombinantes por técnicas de engenharia genética

Para aplicação: elevada eficiência na conversão do substrato em produto;

não produzir substâncias incompatíveis com o produto;

apresentar constância quanto ao comportamento fisiológico;

não ser patogênico;

não exigir condições de processo muito complexas;

não exigir substratos dispendiosos;

permitir a rápida liberação do produto para o meio.

• FERMENTAÇÃO SUBMERSA: Processo fermentativo no qual todos os nutrientes utilizados pelos microrganismos estão dissolvidos e uniformemente distribuídos no meio.

• FERMENTAÇÃO ESTADO SÓLIDO: a cultura de micro-organismos sob ou no interior de partículas em matriz sólida (arroz, trigo, cevada, milho e soja; resíduos agro-

industriais e florestais como bagaço de cana-de-açúcar, sabugo de milho, farelo de trigo e palha de arroz);

Alguns Usos Industriais para Diferentes Tipos de Fermentação

Produto Final da

Fermentação

Uso Industrial ou

Comercial

Material Inicial Microrganismo

Etanol

Cerveja Extrato de Malte

Saccharomyces

cerevisiae

Vinho Uva ou outros sucos

de Frutas

Combustível Refugos Industriais

Ácido Ácético Vinagre Etanol Acetobacter

Ácido Lático

Queijo, Iogurte Leite Lactobacillus,

Streptococcus

Pão de centeio Grão, açúcar

Lactobacillus Chucrute repolho

Salsicha, linguiça Carne

Ácido propiônico e

dióxido de carbono

Queijo Suíço Ácido Lático Propionibacterium

freudnreichii

Acetona Usos farmacêutico e

industrial

Melaço de cana Clostridium

acetobutylicum

Glicerol Usos farmacêutico e

industrial

Melaço de cana Saccharomyces

cerevisiae

Ácido Cítrico Sabor Melaço de cana Aspergillus

Metano Combustível Ácido Ácético Methanosarcina