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Metabolismo Microbiano 1.Conceitos básicos 2.Classes microbianas 3.Quimiotrofia 4.Fototrofia 5.Quimiolitotróficos 6.Integração metabólica Produção de Energia.

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1 Metabolismo Microbiano 1.Conceitos básicos 2.Classes microbianas 3.Quimiotrofia 4.Fototrofia 5.Quimiolitotróficos 6.Integração metabólica Produção de Energia e Biossíntese Brock, Caps. 05 e 06

2 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 - catabólicas aquelas que liberam E = exergônicas - catabólicas aquelas que utilizam E = endergônicas - anabólicas aquelas que utilizam E = endergônicas - anabólicas E = capacidade de realizar trabalho E = capacidade de realizar trabalhoquímicaluminosa E

3 G = + G = - 3 Anabólica Catabólica

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 Acumulo de nutrientes e excreção de produtos indesejáveis Mobilidade 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 6 Extraída de: Moreira & Siqueira, 2006 CO 2, HCO 3, CO 3 2- Fauna, fungos, maioria das bactérias Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte de energia e carbono

7 Compostos ricos em energia: armazenamento e transferência de energia (imediata) ATP = adenosina trifosfato ADP = adenosina difosfato Fosfoenolpiruvato Glicose-6-fosfato : Acetil CoA, NAD, NADH, NADPH Coenzimas: Acetil CoA, NAD, NADH, NADPH 7

8 Armazenamento de energia 8 (Madigan et al., 2010) Ligacoes tioéster

9 O ATP é o composto de alta energia mais importante nos seres vivos. Apesar disso, sua concentração nas células é relativamente baixa. Para o armazenamento de energia por períodos longos, os microrganismos produzem polímeros insolúveis. Ex.: polímeros de glicose (amido e glicogênio), polímeros lipídicos, PHAs (biopoliéster). Ralstonia eutropha

10 Compostos ricos em energia: armazenamento e transferência de energia (a longo prazo) Procariotos: Glicogenio Poli-β-hidroxibutirato Poli-idroxialcanoatos S (elementar) Eucariotos Poliglicose na forma de amido Lipídeos na forma de gorduras

11 Fermentação Respiração Geração de ATP por microrganismos Síntese de ATP acoplada a reações de óxido-redução Ausência de aceptores exógenos de elétrons O 2 ou outro composto como aceptor exógeno de elétrons Menos E Mais E Oxidação = perda de e - (liberam energia) Redução = ganho de e - (requerem energia)

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

13 Características: 1.Oxidação parcial da glicose a piruvato 2.Pequena quantidade de ATP é gerada (produção líquida de 2 ATP) 3.Pequena quantidade de NAD é reduzida a NADH 1ª etapa: Piruvato (via glicolítica) É considerada a via metabólica mais primitiva, presente em todas as formas de vida atuais. Ocorre no citoplasma das células.

14 Produção direta de 1 GTP guanosina trifosfato (equivalente ao ATP) Além do papel-chave nas reações catabólicas, é importante nas reações biossintéticas. Os intermediários são desviados para vias biossintéticas quando necessário: Exemplos: 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

15 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.

16 Exterior da célula Citoplasma 16 Fosforilação oxidativa

17 17

18 As 3 etapas da via respiratória

19 Síntese da respiração aeróbia 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

20 1b) Respiração anaeróbia É uma variação alternativa da respiração aeróbia: o aceptor de elétrons não é o oxigênio. Uma implicação é o rendimento energético inferior: nenhum aceptor alternativo apresenta potencial tão oxidante quanto O 2. O uso de aceptores alternativos permitem os microrganismos respirarem em ambientes sem oxigênio, sendo de extrema importância ecológica. 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

21 2. Fermentação (também é uma forma de respiração anaeróbia. Ocorre no citossol) Reação de oxidação-redução internamente balanceada. Ausência de aceptores externos. A concentração de NAD + nas células é baixo, precisando ser re- oxidado para não cessar a via glicolítica. A redução do piruvato a etanol ou outros produtos restabelece o NAD e permite a continuidade da glicólise. Produção líquida de apenas 2 ATP.

22 Este é o processo básico na indústria de produção de bebidas alcoólicas 22

23 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 23

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25 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. 25

26 26

27 Utilização de energia 27

28

29 Nutrição e Crescimento Microbiano Nutrição microbiana Componentes necessários às células Meios de cultura Condições ambientais Crescimento populacional Velocidade de crescimento Tempo de geração Medidas do crescimento

30 Macronutrientes : - Necessários em grande quantidade (C, N, H, O, S, P) - Tem papel importante na estrutura e metabolismo. Micronutrientes : - Necessários em quantidades mínimas (B, Co, Cr, Cu, F, I, Mn, Mo, Se, Zn) - Funções enzimáticas e estruturais das biomoléculas célula Necessidade de elementos nutricionais

31 Componentes necessários às células Macronutrientes Fonte de carbono: - Compostos orgânicos (microrganismos heterotróficos): carboidratos lipídeos proteínas - Dióxido de carbono (microrganismos autotróficos): É a forma mais oxidada do carbono, assim a fonte de energia deve vir da luz ou de outros compostos inorgânicos. Fonte de Nitrogênio: - É elemento necessário em maior quantidade depois do carbono, cerca de 12 %. (constituinte das proteínas, ácidos nucléicos, etc.) moléculas orgânicas (aminoácidos, peptídeos) moléculas inorgânicas (NH 3, NO 3 -, N 2 ) A capacidade de algumas bactérias em utilizar o nitrogênio atmosférico (FBN) é de fundamental importância para a vida de todos os seres.

32 Hidrogênio: -Principal elemento dos compostos orgânicos e de diversos inorgânicos (água, sais e gases) Função: Manutenção do pH Formação de ligações de H entre moléculas Fonte de energia nas reações de oxi-redução na respiração Componentes necessários às células Oxigênio: - Elemento comum encontrado nas moléculas biológicas (aminoácidos, nucleotídeos, glicerídeos) - É obtido a partir das proteínas e gorduras. Na forma de oxigênio molecular (O 2 ), é requerido por muitos para os processos de geração de energia.

33 P – Síntese de ácidos nucléicos, ATP S – Estabilidade de aminoácidos, componente de vitaminas K – Estabilidade dos ácidos nucléicos, bomba de Na/K Mg– Estabilidade dos ribossomos Ca – Estabilidade da parede celular e termoestabilidade de endósporos Na – Requerido em maior quantidade por microrganismos marinhos. Bactérias halofílicas extremas não crescem com menos de 15 % de sal. Fe – Papel-chave na respiração, componente dos citocromos e das proteínas envolvidas no transporte de elétrons. Componentes necessários às células Outros macronutrientes:

34 Metais em quantidades muito pequenas (traços): Zn, Cu, Mn, Co, Mo e B Exercem função estrutural em várias enzimas (ativação) Ex: Mo +6 é necessário para a nitrogenase, a enzima que converte o N 2 para NH 3 durante a FBN. Componentes necessários às células Micronutrientes

35 Fases de crescimento: lag, exponencial (log), estacionária, declínio Curva de crescimento Microbiano 35

36 36

37 Crescimento microbiano Expressão matemática do crescimento –progressão geométrica de quociente 2: X 2º n 37

38 Crescimento microbiano Tempo de geração: tempo necessário para a divisão das células –depende da espécie e das condições de crescimento g = t/n, onde: –g = tempo de geração –t = tempo de crescimento –n = número de gerações dentro de um tempo t de crescimento E. coli: 6-20 min 38

39 39 5 x 10 7

40 Crescimento microbiano A relação entre o número de células e de gerações pode ser expressa em uma série de equações matemáticas: –sendo a população inicial = N 0 1 geração N = N 0 x geração N = N 0 x geração N = N 0 x 2 3 n geração N = N 0 x 2 n população final (N) = N 0 x 2 n 40

41 Crescimento microbiano A relação entre o número de células e de gerações pode ser expressa em uma série de equações matemáticas: –sendo a população inicial = 5 1 geração N = N 0 x 2 1 = 5 x 2 = 10 2 geração N = N 0 x 2 2 = 5 x 2 2 = 20 3 geração N = N 0 x 2 3 = 5 x 2 3 = 40 n geração N = N 0 x 2 n = 5 x 2 n população final (N) = N 0 x 2 n 41

42 Medidas do crescimento Medidas diretas –Contagem de células totais Câmaras de Petroff-Hausser e de Neubauer Contagem dos viáveis 42

43 Medidas do crescimento Contagem microscópica direta: Câmara de Petroff-Hausser 43

44 Medidas do crescimento Contagem dos viáveis 44 Superfície Pour plate

45 Contagem dos viáveis utilizando a técnica das diluições em série 45

46 Medidas do crescimento Medidas indiretas –Turbidez 46

47 Fatores que afetam o crescimento Fatores químicos: pH : neutrófilos – pH 7.0 acidófilos – pH < 7.0 alcalófilos – pH > 7.0 Importância : Atividade enzimática Conformação protéica Disponibilidade de metais e elementos orgânicos 47

48 48 Archaea acidofílica – área de mineração ácida (extração de ouro, etc.)

49 49 Rochas calcáricas Vermiculita

50 Fatores que afetam o crescimento Fatores químicos: O 2 : Aeróbios obrigatórios Anaeróbios obrigatórios Anaeróbios facultativos Microaerófilos Aerotolerantes Importância : Respiração e produção de energia Reações de óxido-redução Atividade enzimática 50

51 51 aeróbios anaeróbios anaeróbios microaerófilos anaeróbios obrigatórios obrigatórios facultativos aerotolerantes

52 Fatores que afetam o crescimento Fatores físicos: Temperatura : Psicrófilos: - 5 C a 20 C Mesófilos: 20 C a 50 C Termófilos: 50 C a 80 C Termófilos extremos: acima de 80 C Importância : Altera as respostas enzimáticas Altera as respostas a choques térmicos Influencia na razão de crescimento 52

53 53

54 54 Chlamydomonas nivalis

55 55

56 56

57 57

58 Estratégias de adaptação às altas temperaturas –membranas –ácidos graxos diferenciados: Archaea não tem ácidos graxos nas membranas (têm hidrocarbonetos C 40 com unidades de isopropeno) –monocamada lipídica Fatores que afetam o crescimento 58

59 59 Monocamada lipídica Bicamada lipídica

60 Estratégias de adaptação às altas temperaturas –proteínas –tipo de aminoácido: conferem conformação distinta (Glu, Lys, Arg) –velocidade de renovação das células Taq polimerase (Thermus aquaticus) –ácidos nucléicos –maior concentração de CG Fatores que afetam o crescimento 60

61 Fatores que afetam o crescimento Fatores físicos: Pressão osmótica (NaCl): Halotolerantes Halófilos Halófilos extremos Pressão hidrostática Barotolerantes Barófilos 61

62 62

63 Habitat de Archaea: Great Salt Lake (2460 km 2, Utah, EUA Halofílicas extremas 63

64 Halofílicas extremas Evaporadores na Baía de São Francisco, Califórnia, EUA 64

65 Fatores que afetam o crescimento Fatores biológicos: Fauna e o substrato Processos de ingestão Ciclagem de nutrientes Composição da comunidade Interações microbianas Neutralismo Comensalismo Sinergismo Mutualismo Biodisponibilidade Adsorção Solubilidade Especiação química Competição Amensalismo/Antagonismo Parasitismo Predação 65


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