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Metabolismo microbiano 1.Conceitos básicos 2.Classes microbianas 3.Quimiotrofia 4.Fototrofia 5.Quimiolitotróficos 6.Integração metabólica.

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1 Metabolismo microbiano 1.Conceitos básicos 2.Classes microbianas 3.Quimiotrofia 4.Fototrofia 5.Quimiolitotróficos 6.Integração metabólica

2 Metabolismo Do grego metabole = mudança, transformação 1.Conceitos básicos METABOLISMO Conjunto das reações bioquímicas que ocorrem dentro da célula Catabolismo BIODEGRADAÇÃO Anabolismo BIOSSÍNTESE

3 Obtenção de energia Energia compostos orgânicos compostos inorgânicos luz A partir de:

4 A energia liberada das reações deve ser conservada para utilização pelas células. A energia é armazenada em ligações químicas de alta energia (fosfato) em moléculas simples, de forma a ser prontamente utilizável. Estocagem da energia

5 O ATP é o composto de alta energia mais importante nos seres vivos. Apesar disso sua concentração nas células é relativamente baixa, sendo consumido ao mesmo tempo em que é produzido. Para o armazenamento de energia por períodos longos, os microrganismos produzem polímeros insolúveis que podem ser oxidados posteriormente. Ex.: polímeros de glicose (amido e glicogênio), polímeros lipídicos, PHAs (biopoliéster). Ralstonia eutropha

6 A célula produz energia para: Síntese de seus componentes: parede, membrana, etc. síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, etc. reparos e manutenção crescimento e multiplicação acumulação de nutrientes e excreção de produtos indesejáveis motilidade Utilização de energia

7 a)As reações metabólicas ocorrem de forma gradual (etapas) nas quais os átomos dos intermediários são re-arranjados até a formação do produto final. b)Cada etapa requer uma enzima específica c)A sequência das reações, começando pelos primeiros ingredientes até ao produto final, se denomina VIA METABÓLICA. Vias metabólicas

8 As reações de oxi-redução (redox) Nas vias metabólicas é importante considerar as reações de oxidação e redução: - Um composto se torna reduzido quando: 1. Ganha elétrons 2. Se liga a um átomo menos eletronegativo 3. E geralmente isto ocorre quando se liga ao hidrogênio - Um conposto se torna oxidado quando: 1. Perde elétrons 2. Se liga a um átomo mais eletronegativo 3. Isto geralmente ocorre quando se liga ao oxigênio Formas reduzidas de C (carbohidratos, metano, lipídios, álcoois) são responsáveis por importantes estocagens de energia em suas ligações. Formas oxidadas de C (cetonas, aldeídos, ácidos carboxílicos e CO 2 ) dispõem de pequeno potencial energético em suas ligações.

9 OXIDAÇÃO-REDUÇÃO DE COMPOSTOS DE ALTA ENERGIA O doador de elétrons é referido como fonte de energia. A quantidade liberada de energia depende da natureza do doador quanto do receptor.

10 As Enzimas que catalizam as reações requerem o transporte de elétrons de uma parte para a outra da via metabólica. Moléculas relativamente pequenas realizam o transporte. Classes: - Que se difundem livremente: NAD +, NADP + - Associados à membrana: Flavoproteínas FMN/FAD Proteínas com Fe e S Quinonas Citocromos NAD e- + 2 H+ NADH + H alto potencial redutor As células contém uma quantidade limitada de NAD, sendo que sua forma reduzida NADH2 precisa ser continuamente re-oxidada para manter o processo metábólico. Transportadores de elétrons

11 TRANSPORTADORES DE ELÉTRONS São intermediários nas reações de oxidação-redução em células: NAD - nicotinamida adenina dinucleotídeo (coenzima) FAD – flavina-adenina mononucleotídeo (flavoproteína) FMN – flavina mononucleotídeo (flavoproteína) Citocromos (protéico) Quinonas (não protéico) São responsáveis pela eficiência na obtenção de energia. Estágios das reações: 1 - remoção dos elétrons 2 - transferência 3 - adição ao aceptor final

12 2. Classes microbianas

13 Fluxo da energia A concentração de ATP na célula é baixa. Numa célula em plena atividade chega a 2 mM Rendimento de até 45% Fosforilação

14 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: Aeróbia: o aceptor externo é o oxigênio Anaeróbia: aceptores diferentes do oxigênio (nitrato, sulfato, carbonato,...) 2. FERMENTAÇÃO: ocorre na ausência de aceptores externos de elétrons (fosforilação em nível de substrato) 1. 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

15 Características: 1. Oxidação parcial da glicose a ácido pirúvico 2.Pequena quantidade de ATP é produzida 3.Pequena quantidade de NAD é reduzida a NADH 1ª etapa: Via Glicolítica ou Glicólise É considerada a via metabólica mais primitiva, presente em todas as formas de vida atuais. Ocorre no citoplasma das células.

16 Diversas vias glicolíticas Quatro vias glicolíticas importantes nos diferentes microrganismos: 1. Via Embden-Meyerhoff-Parnas (EMP) Glicólise clássica Presente em todos os organismos vivos 2. Via Hexose monofosfato (HMP) Presente em quase todos os organismos Responsável pela síntese das pentoses usadas na síntese de nucleotídios 3. Via Entner-Doudoroff (ED) Encontrada nas Pseudomonas e gêneros relacionados 4. Via Fosfoketolase (FK) Encontrada no gênero Bifidobacterium e Leuconostoc

17 Produção direta de 1 GTP guanosina trifosfato (equivalente ao ATP) Além do papel-chave nas reações catabólicas, o ciclo de Krebs é importante nas reações biossintéticas. Os intermediários são desviados para vias biossintéticas quando necessário: Exemplos: α-cetoglutarato: precursor de aminoácidos Oxalacetato: precursor de aminoácidos Succinil-CoA: formação de citocromos e da clorofila, entre outros Acetil-CoA: biossíntese de ácidos graxos 2ª etapa: Ciclo de Krebs Ocorre no citoplasma (procariotos) e nas mitocôndrias (eucariotos). Reações preparatórias: formação de composto chave do processo

18 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.

19 As 3 etapas da via respiratória

20 Fosforilação oxidativa Sistema O/R: próximo membro do sistema tem maior capacidade para receber elétrons Geração da força protomotiva

21 Síntese da respiração aeróbia Reações de oxidação e redução em presença de um aceptor de elétrons externo, o O 2 A molécula inteira do substrato é oxidada até CO 2 Alto potencial de energia Grande quantidade de ATP é gerada: 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 ATP

22 Respiração anaeróbia É uma variação alternativa da respiração aeróbia: o aceptor de elétrons não é o oxigênio. Uma implicação é que rendimento energético é inferior: nenhum dos aceptores alternativos apresenta potencial tão oxidante quanto o oxigênio. Em contrapartida, o uso de aceptores alternativos permitiram os microrganismos respirarem em ambientes sem oxigênio, sendo de extrema importância ecológica. Uma aplicação importante que ganhou muita atenção nos dias atuais é a utilização de processos anaeróbios no tratamento de efluentes:

23 Aceptor final de elétrons diferente do O 2 Exemplos: C 6 H 12 O NO 3 - 6CO 2 + 6H 2 O + 12NO lactato + SO 4 = + 4H + 2CO 2 + S = + H 2 O + 2 acetato A respiração anaeróbia, exclusividade dos procariotos, só ocorre em ambientes onde o oxigênio é escasso, como nos sedimentos ou próximo de nascentes hidrotermais submarinas.sedimentos

24 2. Fermentação (também é uma forma de respiração anaeróbia) Reação de oxidação-redução internamente balanceada. Ausência de aceptores externos. A concentração de NADH nas células é baixo, precisando ser re-oxidado para não cessar a via glicolítica. A redução do piruvato a etanol ou outros produtos de restabelece o NAD e permite a continuidade da glicólise. Produção líquida de apenas 2 ATP.

25 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 O 2 não é necessário Não há obtenção adicional de ATP. Gases (CO 2 e/ou H 2 ) podem ser produzidos

26 As vias fermentativas são úteis na identificação bioquímica: Fermentação de múltiplos ácidos Escherichia coli Base para teste Vermelho de Metila (VM) Fermentação 2,3-Butanodiol Enterobacter aerogenes Base para o teste de Voges-Proskauer (VP) Também são utilizadas na indústria: Sínteses de compostos orgânicos importantes

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28 Fototropia A utilização da energia da luz - Fotossíntese a. Fotossíntese oxigênica Presente nas cianobactérias e nos cloroplastos dos eucariontes (microalgas por ex.) Doador de elétrons é H 2 O: sua oxidação gera o O 2 como subproduto. Dois fotossistemas: PSI e PSII Maior função é produzir NADPH e ATP para a fixação de C (produção de matéria orgânica) Cloroplasto Cianobactérias Fotossistemas em lamelas

29 Fotossíntese oxigênica Cianobactérias

30 Fotofosforilação O NADPH é utilizado para reduzir o CO 2 no processo de fixação do CO 2 A energia da luz é utilizada para a síntese de ATP

31 Fotossíntese anoxigênica Doadores de elétrons variam: H 2 S or S o nas bactérias verdes e púrpuras sulfurosas H 2 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

32 Bactérias verdes Bacterioclorofilas e carotenóides Yellowstone Park,USA

33 Fotossíntese anoxigênica (bactérias púrpuras) Fotofosforilação ciclica Geração de poder redutor para a redução do CO2.

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35 Quimiolitotrofia Características Elétrons são removidas de doadores inorgânicos. Os elétrons passam através de uma membrana ligada a um sistema de transporte de elétrons geralmente acoplado a síntese de ATP e NADH. Os elétrons finalmente passam para um receptor final ATP e NADH são usados para converter CO 2 em carboidrato

36 Exemplos de doadores de elétrons: Amônia (NH 4 + ) Nitrito (NO 2 - ) nas Nitrosomonas Nitrito (NO 2 - ) Nitrato (NO 3 2- ) nas Nitrobacter Sulfeto de hidrogênio (H 2 S) Enxofre (S o ) em Thiobacillus, Beggiatoa, Thiomargarita Enxofre (S o ) Sulfato (SO 4 2- ) em Thiobacillus Hidrogênio (H 2 ) Água (H 2 O) em Alcaligenes Thiomargarita namibiensis: uma bactéria gigante

37 Exemplos de receptores de elétrons Oxigênio (O 2 ) água (H 2 O) em diversos organismos Dióxido de carbono (CO 2 ) Metano (CH 4 ) nas bactérias metanogênicas 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O Delta G° = -31 kcal/mol

38 Utilização da energia Açúcares Aminoácidos Nucleotídeos Ácidos graxos Generalidades: As vias começam com a síntese das unidades estruturais simples. As unidades estruturais são ativadas com a energia de moléculas como o ATP e GTP. As unidades estruturais são unidas para formar substâncias complexas da célula.

39 Integração do catabolismo e anabolismo

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41 Ex. Fornecimento de precursores para biossíntese aminoácidos


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