microbiologia geral - metabolismo microbiano
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Aula da disciplina de Microbiologia Geral do Prof. Dr. Juliano de Carvalho Cury no CSL-UFSJTRANSCRIPT
15/01/2014
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Metabolismo microbiano
CO2
Compostos orgânicos
Fonte de Energia
Química
QuimioautotróficosFotoautotróficos
QuimioheterotróficosFotoheterotróficos
Luz
Fonte deCarbono
• Metabolismo:
• toda a atividade química realizada por um organismo e seu maquinário.
São de 2 tipos:
• aquelas que liberam E = exergônicas – catabólicas (-)• aquelas que utilizam E = endergônicas – anabólicas (+)
• E = capacidade de realizar trabalho
química (contida em ligações químicas
das moléculas)
luminosa (energia radiante que será
convertida em energia química)
• Requerimentos de energia:
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
Quimiotróficos(utilizam substâncias
químicas como fonte de energia)
QuimiolitotróficosC= CO2
QuimiorganotróficosC=orgânico
Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte de energia e carbono
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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
Energética e 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
Muitas reações que
libreram energia
não ocorrem
espontaneamente,
necessitando de
ativação dos
reagentes
COMPLEXO ENZIMA-SUBSTRATO Compostos ricos em energia: armazenamento e transferência de energia (imediata)
• ATP = adenosina trifosfato
• ADP = adenosina difosfato
• Fosfoenolpiruvato
• Glicose-6-fosfato
• Coenzimas: : AcetilAcetil CoACoA, NAD, NADH, NADPH, NAD, NADH, NADPH
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Armazenamento de energia - catabolismoO 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, osmicrorganismos produzem polímeros insolúveis.
Ex.: polímeros de glicose (amido e glicogênio), polímeros lipídicos, PHAs(biopoliéster).
Compostos ricos em energia: armazenamento e transferência de energia (a longo prazo)
• Procariotos:
– Glicogenio
– Poli-β-hidroxibutirato
– Poli-idroxialcanoatos
– S (elementar)
• Eucariotos
– Poliglicose na forma de amido
– Lipídeos na forma de gorduras
• Fermentação
• Respiração
Geração de ATP por microrganismosGeração de ATP por microrganismos
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 oxigênio
b) 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
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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).
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 viarespiratória
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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
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
Fermentação (também é uma forma de respiração anaeróbia) –fosforilação a nível de substrato
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
� Produção líquida de apenas 2 ATP
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
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FototrofiaUtilização 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.
CianobactériasCloroplasto de eucariotos
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.
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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
Biossíntese de nucleotídeos e ácidos nucléicos
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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)