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Produção de energia e biossíntese 1. Objetivos Catabolismo = quebra da estrutura das moléculas Anabolismo = reconstrução das estruturas moleculares Reações.

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1 Produção de energia e biossíntese 1

2 Objetivos Catabolismo = quebra da estrutura das moléculas Anabolismo = reconstrução das estruturas moleculares Reações exergônicas – liberam E Reações endergônicas – requerem E Composto de transferência de E mais importante (ATP) Fosforilação em nível de substrato, fosforilação oxidativa e fotofosforilação Processo de força próton-motiva Quimiotrofia e fototrofia Glicólise Respiração e fermentação Biossíntese de moléculas e compostos 2

3 1. Introdução Metabolismo: toda a atividade química realizada por um organismo e seu maquinário. toda a atividade química realizada por um organismo e seu maquinário. São de 2 tipos: aquelas que liberam E = exergônicas aquelas que liberam E = exergônicas aquelas que utilizam E = endergônicas aquelas que utilizam E = endergônicas E = capacidade de realizar trabalho E = capacidade de realizar trabalhoquímicaluminosa E 3

4 Requerimentos de energia: Componentes celulares: parede, membrana, etc. Síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polis- sacarídeos, fosfolipídios, etc. Reparos e manutenção da célula Crescimento e multiplicação Acumulação de nutrientes e excreção de produtos indesejáveis Mobilidade 2. Produção de Energia (E) 4

5 Sistema de armazenamento e transferência de E Componentes celulares como proteínas (enzimas), DNA, RNA, carboidratos, lipídeos, etc. Produtos da degradação servem como unidades para a produção de compostos celulares Síntese Compostos e estruturas Degradação Quebra de substratos ou nutrientes E liberada E requerida Crescimento celular, reprodução, manutenção e movimento 5

6 Tipos de energia Energia química – energia contida em ligações químicas das moléculas Energia radiante (energia da luz) – deve ser convertida em energia química 6

7 Quimiotróficos (utilizam substâncias químicas como fonte de energia) Quimiolitotróficos C= CO 2 Quimiorganotróficos C=orgânico Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte de energia e carbono 7

8 8

9 Tipo fisiológicoFonte de EnergiaFonte de Carbono FotoLuz QuimioQuímica Autotrófico/organotróficoMoléculas orgânicas Heterotrófico/litotróficoMoléculas inorgânicas 9

10 3. Principais fontes de energia Quimiorganotróficos substâncias orgânicas: Lactococcus lactis + glicose ácido lático + energia 10

11 3. Principais fontes de energia Fototróficos Luz: Anabaena cylindrica + Luz energia + compostos 11

12 Compostos de armazenamento e transferência de energia ATP = adenosina trifosfato ADP = adenosina difosfato Fosfoenolpiruvato Glicose-6-fosfato 12

13 Armazenamento de energia (Madigan et al., 2004) 13

14 4. Geração de ATP por microrganismos Reações exergônicas Reações endergônicas acoplamento - ΔGº' ATP + ΔGº' 14

15 G = + G = - 15

16 Fosforilação em nível de substrato Fosforilação oxidativa Fotofosforilação 4. Geração de ATP por microrganismos Fosforilação = adição de um grupo fosfato a um composto 16

17 (Madigan et al., 2004) Ligações de fosfato de alta energia e essa energia é transferida diretamente ao ADP para produzir ATP 17

18 Fosforilação em nível de substrato Glicose acido 2-fosfoglicérico acido fosfoenolpirúvico acido pirúvico 18

19 Fosforilação em nível de substrato Fosforilação oxidativa Fotofosforilação 4. Geração de ATP por microrganismos 19

20 Todas as reações de oxidação liberam energia (sistema de transporte de elétrons) A energia é armazenada temporariamente em força proton-motiva A força proton-motiva fornece energia para a síntese de ATP a partir do ADP Oxidação = perda de e - (liberam energia) Redução = ganho de e - (requerem energia) Fosforilação oxidativa 20

21 Oxidação: perda de H H H + + e - Fe ++ Fe e - COOH-CH 2 -CH 2 -COOH COOH-CH=CH-COOH + 2H STE (sistema de transporte de elétrons: série de reações integradas) energia liberada mais eficientemente sistema O/R: doador (O/R) 1 (O/R) 2 (O/R) 3 (O/R) 4 aceptor nutriente composto oxidado Fosforilação oxidativa 21

22 Fosforilação oxidativa (Madigan et al., 2004) Sistema de transporte de elétrons : Procarióticos = membrana citoplasmática Eucarióticos = membrana interna da mitocôndria 22

23 Exterior da célula Citoplasma 23

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27 Fosforilação em nível de substrato Fosforilação oxidativa Fotofosforilação 4. Geração de ATP por microrganismos 27

28 Luz como fonte de energia Luz produz força proton-motiva Força proton-motiva promove síntese de ATP Onde faz e quem faz: Cianobactérias, algas, plantas verdes Nos tilacóides no citoplasma ou nos cloroplastos, devido a presença de clorofila 4. Geração de ATP por microrganismos 28

29 Como faz: Além de fotofosforilação também fixam CO 2 Este processo requer 2 componentes: ADP (fonte de energia) NADPH 2 (doador de e - para a fixação do CO 2 ) Depende da atividade de 2 estruturas: Fotossistema I (PS I) Fotossistema II (PS II) 4. Geração de ATP por microrganismos 29

30 Fotofosforilação Organização do complexos protéicos na membrana fotossintética de uma bactéria púrpura fototrófica. O gradiente de prótons gerado pela luz é utilizado na síntese de ATP, catalisada pela ATP sintase (ATPase). (Madigan et al., 2004) CL = clorofila CR = centros de reacao Bph = bacteriofeofitina Q = quinona Fe-S = proteina Fe-S bc 1 = complexo citocromo bc1 C 2 = citocromo c2 30

31 Fotofosforilação 31

32 5. Vias metabólicas de produção de energia Vias catabólicas Glicólise Regeneração do NAD + Fermentação Respiração: aeróbia anaeróbia 32

33 Glicólise Degradação anaeróbica da glicose a ácido pirúvico por uma sequência de reações catalizadas enzimaticamente (também chamada de via Embden-Meyerhoff ) 33

34 34

35 Regeneração do NAD Através de 2 métodos Fermentação Respiração: aeróbica anaeróbica 35

36 Fermentação Ausência de O 2 Reações de oxidação e redução de um composto orgânico Baixo potencial de energia (processo pouco eficiente) Oxidação acoplada à redução de composto orgânico originado a partir do substrato inicial Ocorre fosforilação em nível de substrato Ocorre no citosol 36

37 Este é o processo básico na industria de produção de bebidas alcoólicas 37

38 Espécie microbianaPrincipal produto da fermentação Acetivibrio cellulolyticusÁcido acético Actinomyces bovisÁcidos acético, fórmico, láctico, etc. Clostridium acetobutylicumAcetona, butanol, etanol, ácido fórmico, etc. Enterobacter aerogenesEtanol, ácido fórmico, CO 2, etc. Escherichia coliEtanol, ácidos láctico, acético, fórmico, succínico, etc. Lactobacillus brevisEtanol, glicerol, CO 2, ácidos láctico, acético, etc. Streptococcus lactisÁcido láctico Succinimonas amylolyticaÁcidos acético e succínico Produtos da fermentação 38

39 Respiração Processo de regeneração do NAD onde o NADH 2 é o doador de e - para o sistema de transporte de e - Se o O 2 é o aceptor final de e -, então respiração aeróbica Se outra molécula (NO 3 -, SO 4 -- ) for o aceptor final de e -, então respiração anaeróbica Vantagem sobre a fermentação: além da regeneração de NAD há produção de forca proton- motiva para síntese adicional de ATP 39

40 40

41 5. Respiração aeróbica 41

42 Produção de ATP em crescimento aeróbico na presença da glicose 42

43 Respiração anaeróbia aceptor final de elétrons diferente do O 2 oxidação de substratos orgânicos ou inorgânicos: C 6 H 12 O NO 3 - 6CO 2 + 6H 2 O + 12NO lactato + SO 4 = + 4H + 2 acetato + 2CO 2 + S = + H 2 O Quantidade de energia produzida é menor 43

44 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. 44

45 Utilização de energia 45

46 Biossíntese de compostos nitrogenados N2N2 N inorgânico (NH 3 + ) Aminoácidos Arranjo de aminoácidos Proteínas/enzimasPurinas e pirimidinas Nucleotídeos Ácidos nucléicos (DNA, RNA) 46

47 Biossíntese de aa e proteínas Ativação química dos aminoácidos via junção com ATP (gera AMP + pirofosfato) Inibição por feedback Proteínas sintetizadas através do código genético Síntese de RNA é pré-requisito para a síntese de proteínas 47

48 Fornecimento de precursores de aminoácidos (Madigan et al., 2004) 48

49 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 49

50 (Madigan et al., 2004) Biossíntese de nucleotídeos e ácidos nucléicos 50

51 Biossíntese de carboidratos Triose Pentoses e hexoses NucleotídeosPolissacarídeos (peptidoglicano, celulose, amido, etc.) CO 2 RNA e DNA 51

52 Biossíntese de carboidratos 52

53 Biossíntese de ácidos graxos Ácido pirúvico Acetil coA e Malonil coA Ácidos graxos de cadeia longa Glicose Fosfolipídios Glicólise Glicerol fosfato 53

54 Outras utilizações de energia Transporte Motilidade Reparos Produção de estruturas de resistência (endosporos) 54


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