Metabolismo Microbiano

1. Reações catabólicas e anabólicas. Enzimas (componentes da enzimas e mecanismos de atividade enzimática)

2. Produção de Energia. Vias metabólicas de Produção de Energia. Catabolismo de carboidratos (Glicólise, Via Pentose fosfato, Via Entner-Doudoroff)

3. Respiração Celular (aeróbica e anaeróbica). Fermentação. Catabolismo de lipídeos e proteínas.Testes Bioquímicos e Identificação bacteriana.

4. Fotossíntese. Fotofosforilação. Reações independentes da luz: Ciclo de Calvin-Benson. Resumo dos mecanismos de produção de Energia. Diversidade metabólica entre os organismos.

5. Vias metabólicas de uso de energia. Biossíntese de polissacarídeos. Biossíntese de lipídeos. Biossíntese de aminoácidos e proteínas. Biossíntese de purinas e pirimidinas. Integração do metabolismo.

Classificação dos microrganismos de acordo à

Respiração.•Aeróbios Restritos: Vivem só em presença de oxigênio.•Anaeróbios Facultativos: Podem gerar ATP através da respiração e também da fermentação utilizando íon nitrato como aceptor de elétrons.•Anaeróbios Restritos: Bactérias que utilizam sulfatos e carbonatos como aceptores de elétrons e não podem utilizar a respiração aeróbica como alternativa.

Respiração Anaeróbica

• Respiração anaeróbia: Um restrito grupo de bactérias utilizam compostos inorgânicos como aceptor final de elétrons

• O aceptor final de elétrons é uma substância inorgânica diferente de oxigênio. Geralmente substâncias oxidadas: NITRATOS, SULFATOS E CARBONATOS.

• Bactérias tais como: 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 (SO42-) como aceptor final de

elétrons para formar sulfeto de hidrogênio (H2S).

• Bactérias metanogênicas: utilizam carbonato (CO32-) para formar metano (CH4).

• Rendimento: mais baixo que a respiração aeróbica, somente uma parte do TCA funciona sob condições anaeróbias e nem todos os transportadores participam da cadeia.

Compostos oxidados do Enxofre como aceptores de elétrons

• Dois tipos de Redução de sulfatos: catabólica ou desassimiladora e a assimiladora

• Redução do sulfato ligada a síntese (assimiladora): Plantas verdes, microrganismos eucarióticos e procarióticos apresentam redução do sulfato ligado à síntese de aminoácidos enxofrados.

• A redução desassimiladora do sulfato forma H2S e o libera ao meio.

• Organismos: Anaeróbios restritos.• Gêneros: Desulfovibrio e Desulfotomaculum (vivem em

solos e matéria orgânica em decomposição).

Nitrato como aceptor final de elétrons

• Dois tipos de redução: Assimiladora e Desassimiladora,

Assimiladora: O íon nitrato (NO-3) é reduzido a íon nitrito (NO2

-) e depois se reduze a NH3 que logo é incorporado ao material celular (plantas e bactérias).

Em enterobactérias: a redução de (NO-3) pode chegar até NH4

+ como um processo respiratório acumulando-se amoníaco (Redução desassimiladora)

Desnitrificação: Processo de respiração anaeróbia que converte (NO-3) em

N2,,,( N2O) ou uma mescla dos dois.Redução de Nitratos: Redução incompleta de (NO-

3) até (NO2-) que se

acumula no meio. Este é um processo respiratório facultativo. O Oxigênio reprime a síntese das enzimas nitrato e nitrito redutase, uma vez a enzima presente o (NO-

3) compite com O2. *Os dois últimos processos podem ser independentes da assimilação. Grupo microbiano: Enterobactérias (respiração, fermentação e resp.

anaeróbica).

O que é fermentação?

• 1. Qualquer processo que produza laticínios ou bebidas acídicos (uso geral)

• 2. Qualquer processo microbiológico em grande escala ocorrendo com o sem ar (comum na indústria).

• 3. Qualquer processo metabólico que libere energia que ocorra somente sob condições anaeróbicas (Def. mais científica)

• *4. Qualquer processo metabolico que libere energia de um açúcar ou outra molécula orgânica, não requer oxigênio ou um sistema transportador de elétrons e usa uma molécula orgânica como aceptor final de elétrons.(Definição que adotaremos)*

Fermentação

• Louis Pasteur: reconheceu a função fisiológica da fermentação explicando o fenômeno como “a conseqüência da vida sem ar”.

• Na transformação redox do substrato não participa o oxigênio=Processo anaeróbio.

Exceto as bactérias ácido-lácticas que podem manter a fermentação em presença de O2.

Características da Fermentação

1. Tanto doadores como aceptores de elétrons são moléculas orgânicas. Em ocasiões a mesma molécula se oxida e se reduze.

2. O processo ocorre em Ausência de O2.

3. Existe um balanço rigoroso de C, O, H entre substratos e produtos.

4. Pode utilizar tanto hexoses (via Glicólise, via Entner-Doudoroff) como pentoses (via das pentoses) como substrato.

Fermentação• Os compostos que se oxidam e reduzem no processo são

geralmente derivados de açúcares (Carboidratos são os substratos principais).

• *No processo se estabelece um estrito balanço redox.• *Gera-se ATP através da fosforilação a nível de substrato.• *O ácido pirúvico (via Glicólise, via Entner-Doudoroff) converte-se

é um o mais produtos orgânicos diferentes, dependendo do tipo de célula. Esses produtos podem ser, ácido lático, etanol, ácido acético etc.

• Não há ciclo de krebs nem cadeia de transporte de életrons.• Utiliza moléculas orgânicas como aceptor de elétrons.• *O rendimento de ATP é muito baixo, somente uma ou duas

moléculas de ATP para cada molécula de material inicial (Grande parte da energia permanece nas reações químicas dos produtos finais tais como ác. Lático e etanol)

Principais vias metabólicas utilizadas pelos microorganismos fermentativos

1. Glicólisis ou frutose –difosfato (FD) ou Embdem-Meyerhoff (EM).

2. Via das Pentosas-Fosfato.

3. Via Entner-Doudoroff (restringida a procarióntes)

Fermentação:

• Através da Glicólise: fosforilação em nível de substrato (2 ATP/ molécula de Glicose).

• Através da via das Pentoses: Ocorre o processo oxidativo a partir da Glicose até a formação de Ribulose-5-fosfato. Esta via é cíclica por natureza e acontecem descarboxilação, epimerização e deshidrogenação.

Esta via subministra para os processos biossintéticos: pentosa-fosfato, eritrosa-fosfato, 3-fosfogliceraldeído e NADPH+ + H+.

.

Fermentação:

• Através da Via Entner-Doudoroff: - É típica e exclusiva de alguns procarióntes- De natureza simples: deshidrogenação, deshidratação e

a conversão de Glicose em ácido pirúvico e 3-fosfogliceraldeído (que é convertido a ácido pirúvico vía frutosa difosfato).

- Por cada mole de Glicose se produze 1mole de ATP e 2 moles de NADH+ + H+.

- Seu significado básico provém da obtenção de ácido glucónico por alguns microorganismos: E. coli e Clostridium obtém os ácidos glucónicos do metabolismo intermediário por esta via a partir de glicose

Via Entner-Doudoroff

1. A partir de cada molécula de glicose está via produz duas moléculas de NADPH e uma molécula de ATP para utilizar nas reações biossintéticas celulares.

2. As bactérias que possuem as enzimas para está via podem metabolizar a Glicose sem a Glicólise ou a vía das pentosas fosfato.

3. Esta via é encontrada em algumas outras bactérias Gram – incluindo: Rhizobium, Pseudomonas e Agrobacterium.

Tipos de Fermentação

• Segundo os produtos segregados que predominem quantitativamente se diferenciam em:

1. Alcoolica (produção de etanol).2. Lática (homolática: ác. Lático e heterolática: ác.

Lático+etanol+CO2;

3. Propiónica (ácido propiónico)4. Fórmica (mixtura de ácidos)5. Butírica (ácido butírico, butanol, acetona, isopropanol

e outros ác. Orgânicos)6. Acética (ácido acético)7. Com produção de metano.

Resumo das características principais das fermentações

típicas

Fermentação Microorganismo

Via metabólica

Produto Principal

Uso Comercial

Alcoólica Saccharomyces cerevisiae; Sarcina ventriculi;Zymomonas mobilis

Glicólise,Glicólise,Entner-Doudoroff

Etanol+CO2 Bebidas

Lática lactobacillaceas

Glicólise,Via Pentose-fosfatos

Ácido lático,Ácido lático+etanol+CO2

Iogurte;Kefir,conservas

Propiónica Propionibactérias

Glicólise Ácido propiónico

Fórmica Enterobactérias (Photobacterium)

Glicólise Ácido acético, fórmico, málico,Lático, etanol, glicerina, CO2

e H2.

]

Produtos industriais

Butírica-butanólica

Clostridios Glicólise Ácido butírico, butanol, acetona, isopropanol

Produtos industrias

Acética Clostridios Glicólise Ácido acético Produtos industriais

Fermentação Lática

• Uma molécula de Glicose é oxidada em duas moléculas de ácido pirúvico gerando-se 2 moléculas de ATP.

• As moléculas de ác. pirúvico são reduzidas por duas moléculas NADH para formar duas moléculas ácido lático.

• O ácido lático é o produto final: não sofre mais oxidação e armazena a energia produzida pela reação

• Rendimento de energia baixo. • Microorganismos homoláticos ou homofermentativos:

Streptococcus e Bacillus,• Produtos: iogurte, leite, repolho azedo e conservas de

pepino.

Fermentação alcoólica

• Através da Glicólise uma molécula de Glicose produze duas moléculas de ácido pirúvico e duas de ATP.

• As duas moléculas de ác. Pirúvico são convertidas em duas de acetaldeído e duas moléculas de CO2.

• As duas moléculas de acetaldeído são reduzidas por 2 NADH para formar duas moléculas de etanol.

• Microorganismos heteroláticos ou heterofermentativos: Saccharomyces (produze alcool e CO2 como resíduos). Podem utilizar a via Pentose-fosfato.

Testes Bioquímicos e Identificação Bacteriana

• Identificar microorganismos pelos tipos de enzimas que produzem:Tipos de testes:

1.Detecção de enzimas que catabolisam aminoácidos (formação de Indol a partir do triptofano-enzima: triptofanase)

2.Teste de oxidação aeróbia ou fermentação de açúcares (produção de ácidos) 3.Hidrólise do amido (amilases), 4.liquefação da gelatina (enzimas proteolíticas),5. Efeito sobre o leite: Proteolisis da caseína e utilização de latose. 6.Formação de amoníaco a partir de aminoácidos7. Formação de H2S a partir de aminoácidos que contem enxofre (cisteína,

metionina),8. Redução de nitratos (enzima nitrato redutase)9. Crescimento em meio sem nitrogênio (crecem só microorganismos que

fixam o nitrogênio molecular)10. Relação com o Oxigênio:

Catabolismo de Lipídeos

• Os microorganismos também oxidam lipídeos e proteínas:

Lipídeos:Gorduras constituídas de ácidos graxos e glicerol.

Lipases: Enzimas produzidas pelos microorganismos que quebram os lipídeos em seus componentes, sendo cada componente metabolizado separadamente.

Glicerol: é convertido em diidroxiacetona fosfato e catabolisado via Glicólise e Ciclo de Krebs.

Ácidos graxos: β-Oxidação: degradação dos ácidos graxos em que fragmentos de carbono são liberados de dois em dois para formar Acetil-CoA que é catabolisado via Ciclo de Krebs

Catabolismo de Proteínas

• As proteínas são muito grandes para atravessar a membrana.

• Os microrganismos produzem peptidases extracelulares=aminoácidos.

• Para os aminoácidos serem catabolisados precisam ser convertidos a outras substâncias para entrarem no ciclo de Krebs através de reações de: desaminação, descarboxilação e desidrogenação.

Desaminação: o grupo amino é removido e convertido em íon amônia e o ácido orgânico restante entra no ciclo de Krebs