Metabolismo Microbiano

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1 Metabolismo Microbiano
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) Respiração Celular (aeróbica e anaeróbica). Fermentação. Catabolismo de lipídeos e proteínas.Testes Bioquímicos e Identificação bacteriana. Fotossíntese. Fotofosforilação. Reações independentes da luz: Ciclo de Calvin-Benson. Resumo dos mecanismos de produção de Energia. Diversidade metabólica entre os organismos. 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.

2 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.

3 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.

4 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).

5 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).

6 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)*

7 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.

8 Características da Fermentação
Tanto doadores como aceptores de elétrons são moléculas orgânicas. Em ocasiões a mesma molécula se oxida e se reduze. O processo ocorre em Ausência de O2. Existe um balanço rigoroso de C, O, H entre substratos e produtos. Pode utilizar tanto hexoses (via Glicólise, via Entner-Doudoroff) como pentoses (via das pentoses) como substrato.

9 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)

10 Principais vias metabólicas utilizadas pelos microorganismos fermentativos
Glicólisis ou frutose –difosfato (FD) ou Embdem-Meyerhoff (EM). Via das Pentosas-Fosfato. Via Entner-Doudoroff (restringida a procarióntes)

11 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+. .

12 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

13 Via Entner-Doudoroff 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. As bactérias que possuem as enzimas para está via podem metabolizar a Glicose sem a Glicólise ou a vía das pentosas fosfato. Esta via é encontrada em algumas outras bactérias Gram – incluindo: Rhizobium, Pseudomonas e Agrobacterium.

14 Tipos de Fermentação Segundo os produtos segregados que predominem quantitativamente se diferenciam em: Alcoolica (produção de etanol). Lática (homolática: ác. Lático e heterolática: ác. Lático+etanol+CO2; Propiónica (ácido propiónico) Fórmica (mixtura de ácidos) Butírica (ácido butírico, butanol, acetona, isopropanol e outros ác. Orgânicos) Acética (ácido acético) Com produção de metano.

15 Resumo das características principais das fermentações típicas
Fermentação Microorganismo Via metabólica Produto Principal Uso Comercial Alcoólica Saccharomyces cerevisiae; Sarcina ventriculi; Zymomonas mobilis Glicólise, Entner-Doudoroff Etanol+CO2 Bebidas Lática lactobacillaceas Via Pentose-fosfatos Ácido lático, Ácido lático+etanol+CO2 Iogurte; Kefir, conservas Propiónica Propionibactérias Glicólise Ácido propiónico Fórmica Enterobactérias (Photobacterium) Ácido acético, fórmico, málico, Lático, etanol, glicerina, CO2 e H2. ] Produtos industriais Butírica-butanólica Clostridios Ácido butírico, butanol, acetona, isopropanol Produtos industrias Acética Ácido acético Resumo das características principais das fermentações típicas

16 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.

17 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.

18 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 aminoácidos 7. 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:

19 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

20 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