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NUTRIÇÃO E METABOLISMO

Prof. (a): Juliana de Oliveira Moraes

SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL

Instituto Federal de Alagoas - Campus Piranhas

ENGENHARIA AGRONÔMICA

Piranhas

2017

QUÍMICA E NUTRIÇÃO DA CÉLULA

Macronutrientes Micronutrientes CÉLULA

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Composição química da célula

• Elementos dominantes e essenciais:

• Carbono (C)

• Hidrogênio (H)

• Oxigênio (O)

• Nitrogênio (N)

• Fosforo (P)

• Enxofre (S)

• Selênio (Se)

• Outros 50 elementos, embora em menor quantidade, são metabolizados

por microrganismos. Exemplo:

ELEMENTO FUNÇÃO

Ferro Constituição de enzimas (catalases, nitrogenases)

Manganês Ativação de enzimas

Zinco Constituição de proteínas de ligação de DNA

Cobre Atuam na respiração e fotossíntese

Boro Ativador da comunicação entre células (Quorum sensing)

Carbono, nitrogênio e outros macronutrientes

• Carbono • Cerca de 50% do peso seco de uma célula é constituída de

Carbono;

• Base dos compostos orgânicos (carboidratos, lipídeos, proteínas)

• Heterótrofos: seres que necessitam de compostos orgânicos do ambiente;

• Autótrofos: seres que sintetizam compostos orgânicos a partir de CO2;

• Nitrogênio • 13% da constituição da célula;

• Fonte na natureza: amônia (NH3), nitrato (NO-) e gás nitrogênio (N2)

• Bactérias fixadoras de nitrogênio: utilizam N2

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• Fosforo

• Síntese de ácido nucleico e fosfolipídios

• Enxofre

• Presente em aminoácidos (metionina e cisteína) e vitaminas

(tiamina e biotina)

• Potássio

• Atividade enzimática

• Magnésio

• Estabilização de ribossomos, membranas e ácidos nucleiocos

Carbono, nitrogênio e outros macronutrientes

Micronutrientes: metais-traço e fator

de crescimento

• Elementos traços ou metais-traços: nutrientes inorgânicos

(metais) que os microrganismos* requerem em menor quantidade.

• Elemento mais requerido – produção de energia (transporte de

elétrons)

• Fatores de crescimento: micronutrientes orgânicos requeridos pelos

microrganismos*.

• Aminoácidos

• Vitaminas (coenzimas)

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Meios e Cultura de laboratório

• MEIO DE CULTURA: uma mistura de nutrientes utilizada para

promoção de crescimento de microrganismos em laboratório (in vitro).

• Classes de Meios de Cultura:

Meios definidos

Composição química exatamente definida (quantitativa e qualitativamente)

Meios Complexos

Composição não é precisamente definida

Meios enriquecidos

Meios complexos adicionados de substâncias adicionais altamente nutritivas, a citar: soro e sangue. Usados para isolamento de microrganismos fastidiosos (exigentes).

Meios Seletivos

Possuem compostos que inibem uma grupo em particular de microrganismos

Meios diferenciais

Recebe a adição de um indicador (corante) que indicará a ocorrência de determinada reação química durante o crescimento microbiano.

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Tipos de Meios de Cultura

Classificados quanto ao estado físico:

Sólidos:

Contém agentes solidificantes, principalmente ágar (cerca de 1,5 a

2,5 %);

Semi-sólidos:

Quantidade de ágar e ou gelatina é de 0,075 a 0,5 %,

Consistência intermediária, de modo a permitir o crescimento de

microrganismos em tensões variadas de oxigênio ou a verificação

da motilidade e também para conservação de culturas;

Líquidos

Sem agentes solidificantes, apresentando-se como um caldo,

utilizados para ativação das culturas, repiques de microrganismos,

provas bioquímicas,

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Necessidades nutricionais e Cultivo

• Microrganismos diferentes podem exibir exigências nutricionais extremamente

distintas.

• Os meios de cultura sólidos imobilizam as células, permitindo que elas cresçam

e originem massa isoladas e visíveis (Colônias).

• As colônias pode exibir varias formas e vários tamanhos, dependendo do

organismos das condições de cultivo, nutrientes, fornecidos.

• Culturas puras x culturas mistas ou contaminadas.

REAÇÕES ENERGÉTICAS E

ENZIMÁTICAS

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Metabolismo

Metabolismo

Catabolismo

Quebra de moléculas orgânicas complexos em

moléculas simples

Liberam energia

(exergônicas)

Anabolismo

Construção de moléculas orgânicas a partir de moléculas simples.

Requerem energia

(endergônica)

é a soma de todas as reações químicas que ocorre dentro de um ser vivo

Energética básica - conceitos

• ENERGIA LIVRE: energia liberada após uma reação acontecer.

• Reações exergônicas: liberam energia quando ocorrem

• Reações endergônica: requerem energia para ocorrer

• ENERGIA DE ATIVAÇÃO: energia necessária para que ocorra a quebra de uma ligação química. Tornando as moléculas que participam da reação em um estado reativo.

• VELOCIDADE DA REAÇÃO

• Catalizadores/enzimas

• São substancias que reduzem a energia de ativação de uma reação, aumentando a velocidade da reação.

• Facilitam a reação, porém não são consumidos nem transformados

• Enzimas: proteínas altamente especifica quanto a reações que catalisam

• Só catalisam reações especificas (estrutura tridimensional) – sítio ativo

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Enzimas e reações químicas

• CONCEITOS BÁSICOS:

• Catalizadores

• Enzimas são catalizadores de reações químicas, ou seja, são aceleradores de reações

• Aumentam a taxa de reação (velocidade)

• Diminuem a energia de ativação (energia necessária para que ocorra uma reação)

• Substrato

• Molécula que sofrerá a atuação da enzima

• Sítio ativo

• região da enzima que combina/interage quimicamente com o substrato

• Especificidade

• As enzimas somente atuam sobre substratos específicos, isso se deve a conformação

molecular da enzima e, mais especificamente, do sítio ativo da enzima.

• Número de turnover

• Número máximo de moléculas de substrato que a molécula de enzima converte em

produtos em cada segundo

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Enzimas - Nomenclatura

• Sufixo – ASE

• Classificadas em 6 classes:

Classes Descrição

Oxirredutases Oxidação-redução em O e H ´- elétrons são perdidos

ou ganhos

Transferases Transferência de grupos funcionais como grupo

amina, grupo acetil e grupo fosfato

hidrolases Adição de moléculas de água (hidrolise)

Liases Remoção de grupos de átomos sem hidrolise

Isomerases Rearranjo de átomos de uma molécula.

Ligases União de duas moléculas

Enzima - cofator

• Cofator: • Componente não proteico que compõe a estrutura da enzima

• Coenzima: • Cofator de natureza inorgânica

• Coenzimas mais conhecidas • Derivados de vitamina A

• Coenzima A

• Derivados da vitamina B

• NAD+ = nicotinamida adenina dinucleotídeo

• NADP+ = nicotinamida adenina mononucleotideo

• FAD+ = flavina adenina dinucleo

• FAM = Favina adenina mononucleotídeo

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Mecanismos da ação enzimática

Contato substrato/en

zima

Formação do complexo enzima-

substrato

Modificação do substrato (cata/anaboli

smo)

Liberação dos produtos

da reação

Enzima segue

inalterada para outra

reação

1.

2.

3.

4. 5.

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Enzimas – fatores que influenciam a

atividade enzimática

Temperatura

Faixa de temperatura

Temperatura ótima

Desnaturação – temp. elevadas

pH

Faixa de pH

pH ótimo

Concentração do substrato

Relação substrato/enzimas (velocidade de

reação)

Saturação da enzima

Inibidores

Substâncias que podem se ligar a

enzimas

Competidores (atuam sobre o sítio

ativo)

Não competidores (mudam a

conformação da enzima e sitio ativo)

Inibição retroalimentar: quando o composto final inibia a ação da enzima nas

etapas iniciais de um ciclo metabólico ou de biossíntese. Evita que célula produza

mais substância do que o necessário.

VIAS METABOLICAS E

REAÇÕES REDOX

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Reação Redox

• A energia gerada de uma reação química é conservada pela célula

na forma de uma molécula altamente energética, ATP.

• Reações que liberam energia suficiente para formação de ATP é

chamada reação de oxidação-redução (redox).

• Oxidação: remoção de um ou mais elétrons de uma molécula

• Redução: adição de uma ou mais elétrons de uma moléculas

• Para que uma molécula ser oxidada uma outra deve ser reduzida.

• Doadores de elétrons (substância oxidada)

• Receptores de elétrons (substância reduzida)

• Potencial redox = tendência de doar ou receber elétrons

Compostos ricos em energia - geração de ATP

• Fosforilação: adição de um grupo fosfato a um composto químico.

• A fosforilação de três tipos: • Fosforilação em nível de substrato

• Fosforilação oxidativa

• Fotofosforilação

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Fosforilação de Substrato

• Quando o substrato doa o grupo fosfato para um ADP, e

respectivamente, gera um ATP.

Fosforilação oxidativa

• Elétrons transferidos para compostos orgânicos/grupo de

carreador de elétrons.

• Os elétrons são transferidos ao longo de uma serie de

carreadores diferentes.

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• A energia liberada das reações de redox devem ser conservadas pelas

células para gerir atividades celulares de demandam energia.

• Compostos de reserva: compostos fosforílados

• ATP – moeda de troca energética

• ATP é uma molécula dinâmica, ele é continuamente clivado para

conduzir reações de anabólicas, sendo resintetizados á custa de

reações catabólicas.

• Reserva a longo prazo: polímeros insolúveis (glicogênio, enxofre

elementar), que podem ser catabolizados para posterior produção de

ATP.

• Energia de manutenção; quebra de amido e

lipídeos simples.

• Coenzima A

• Ligação tioéster

• Quando hidrolisada gera energia livre suficiente para promover a

síntese de uma molécula de ATP.

• ATPase

• Complexo proteico que permite a reação reversivel de ADP + P e

ATP.

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DOADORES E RECEPTORES

DE ELÉTRONS

Reação redox

• As reações de redox em células microbianas são mediadas por

moléculas pequenas

• Mais comum: coenzima nicotinamida adenina de nucleotídeo

• NAD+ - forma oxidada,

• NADH – forma reduzida

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Carreadores de elétrons

• NADH desidrogenase

• Flavoproteínas

• Quinonas

• Citocromo

• Outras proteínas com grupamento de Fe e S

CLASSIFICAÇÃO ENERGÉTICA

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Classes energéticas – fonte de energia

Quimiotróficos

• Obtenção de energia por compostos químicos

Quimiorganotróficos

• Obtenção de energia por compostos químicos ORGÂNICOS

Quimiolitotróficos

• Obtenção de energia por compostos químicos INORGÂNICOS

Classes energéticas - oxigênio

Aeróbios

• Microrganismos que obtêm energia de compostos orgânicos somente na PRESENÇA de oxigênio

Anaeróbios

• Microrganismos que obtêm energia de compostos orgânicos somente na AUSÊNCIA de oxigênio

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Classes energéticas

Fototróficos

• Possuem pigmentos que permite a obtenção de energia através da luz.

• Fonte de Carbono – CO2

Fotossíntese oxigênica

• Há produção de oxigênio

• Cianobactérias (procariotos) e algas (eucariotos)

Fotossíntese anoxigênica

• Não há produção de oxigênio

• Bactérias purpuras e verdes

Classes energéticas

Autotróficos

• Obtenção do carbono através de CO2

Heterotróficos

• Obtenção do carbono através de compostos orgânicos

Todo organismo heterotrófico é

quimiorganotrófico

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FERMENTAÇÃO E RESPIRAÇÃO

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Respiração

Glicólise

• Oxidação da glicose a ácido piruvico

Ciclo de Krebs • Oxidação da

Acetil-CoA em CO2

Cadeia transportadora

de elétrons

• Reação em cadeia de oxi-redução (carredaores)

ATP e NADH

ATP, NADH E FADH2

38 ATP

Fermentação

Glicólise Ácido pirúvico

Etanol

Ácido lático

Ácido acético

Ácido butírico

Ácido propiônico

2 ATP

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Estratégias de conservação de energia

• Catabolismo anaeróbico

• Composto orgânico: doador e receptor de elétrons

Fermentação

• Catabolismo anaeróbico ou aeróbio

• Composto orgânico é oxidado por O2 ou um substituto

Respiração

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Fermentação

Respiração

Respiração

O2

Respiração aeróbica

Glicose

38 ATP Liberação de CO2 e H20

Nitritos, Nitratos, Ferro férrico, Sulfatos e

carbonatos

Respiração anaeróbica

Glicose

36ATP Liberação de CO2 e H20

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VIAS METABOLICAS

Catabolismo de carboidratos

• A maioria dos microrganismo tem os carboidratos como fonte prioritária de energia.

• Para conversão de glicose em energia os microrganismos fazem uso de duas vias metabólicas:

• Em ambas as vias se faz necessárias reações de oxidação e redução (reação redox).

• Catabolismo anaeróbico

• Composto orgânico: doador e receptor de elétrons

Fermentação

• Catabolismo anaeróbico ou aeróbio

• Composto orgânico é oxidado por O2 ou um substituto

Respiração

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Catabolismo de Proteínas e lipídeos

• PROTEÍNAS

• São moléculas muito grande para passar pela membrana,

• São liberadas enzimas extracelulares (protease e peptidases)

• Somente assim os aminoácidos poderão entrar na célula e

participar da ciclo de Krebs

• LIPIDEOS

• Enzimas (lipases)

• Quebram gordura em sua moléculas básicas:

• Glicerol e ácidos graxos

• Assim o glicerol e os ácidos graxos podem entrar no ciclo de Krebs

BIOSSÍNTESE

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Biossíntese de Polissacarídeos

• Os átomos de carbono requeridos para formar glicose são derivados dos

intermediários produzidos durante processos como a glicólise e ciclo de

Krebs.

• Para formar moléculas complexas de glicose, como o glicogênio, moléculas

de glicose devem ser fosforiladas.

• Após a fosforilação da glicose é formado a glicose 6-fosfato.

• glicose 6-fosfato + ATP = ADPG (adenosina-difosfoglicose)

• ADPG se liga a outras para formar o glicogênio.

• Função: reserva de energia

Glicose Glicose-6

fosfato ADPG

Glicólise

Glicose

Glicose-6-fosfato

Frutose-6-fosfato

Ácido pirúvico

ADPG*

ATP

ATP

ADPNAc**

GLICOGÊNIO

* adenosina-difosfoglicose

** uridina-fosfoglicose

PEPTIDEOGLICANO

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Biossíntese de Lipídeos

• As células precisam de glicerol e ácido graxos para

formar lipídeos.

• A célula consegue esses componentes através:

• Ácidos graxos = fragmentos de acetil-coA

• Glicerol = intermediário da glicólise (diidroxiacetona-fosfato)

• Função na célula:

• composição da membrana

• Composição da parede celular

• Pigmentos = carotenoides/clorofila

• Estoque de energia

Glicose

Gliceraldeido-3-fosfato

Frutose-6-fosfato

Ácido pirúvico

Acetil-coA

Ciclo de

Krebs

Diidroxiacetona-fosfato

Glicerol

Ácido graxos

Lipídeos

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Biossíntese de aminoácidos e proteínas

• Fonte direta (do ambiente) e indireta (produzem a partir

de moléculas intermediárias).

• Adição de grupo amino ao ácido pirúvico ou ácido

orgânico.

• Aminação (adição de grupo amino)

• Transaminação (grupo amino de outro aminoácido)

Metabolismo

Glicólise

Anabolismo

Ciclo de Krebs

Catabolismo

Acetil-coA

Compostos intermediários

Vias anfibólicas

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