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1. Introdução Metabolismo: toda a atividade química realizada por um organismo toda a atividade química realizada por um organismo São de 2 tipos: aquelas.

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2 Introdução Metabolismo: toda a atividade química realizada por um organismo toda a atividade química realizada por um organismo 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 2

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 Acumulação 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 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 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 Glicose acido 2-fosfoglicérico acido fosfoenolpirúvico acido pirúvico 9 Fosforilação a nível de substrato = GLICÓLISE Geração de ATP por microrganismos - Fermentação

10 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 sistema O/R: doador (O/R) 1 (O/R) 2 (O/R) 3 (O/R) 4 aceptor Fosforilação oxidativa 10 nutriente composto oxidado Geração de ATP por microrganismos - Respiração

11 Exterior da célula Citoplasma 11

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13 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 (fototróficos) Nos tilacóides no citoplasma ou nos cloroplastos, devido a presença de clorofila 13 Geração de ATP por microrganismos - Respiração Fotofosforilação

14 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) Geração de ATP por microrganismos 14

15 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., 2010) CL = clorofila CR = centros de reação Bph = bacteriofeofitina Q = quinona Fe-S = proteína Fe-S bc 1 = complexo citocromo bc1 C 2 = citocromo c2 15 Fotofosforilação

16 16 Estroma

17 Vias metabólicas de produção de energia Vias importantes Glicólise Via de regeneração do NAD + Fermentação Respiração: aeróbia anaeróbia 17

18 Glicólise Degradação anaeróbica da glicose a ácido pirúvico por uma sequência de reações catalizadas enzimaticamente (também chamada de via Embden-Meyerhoff ) 18

19 19 Produção líquida de 2 ATP

20 Regeneração do NAD (Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo) Através de 2 métodos Fermentação Respiração: aeróbica anaeróbica 20

21 Fermentação Ausência de O 2 Reações de oxidação e redução de um composto orgânico Baixo potencial de energia (processo pouco eficiente) Ocorre fosforilação em nível de substrato Ocorre no citosol 21

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

24 Respiração Processo de regeneração do NAD onde o NADH 2 é o doador de e - para o sistema de transporte de e - Respiração aeróbica: O 2 é o aceptor final de e - Respiração anaeróbica: outra molécula (NO 3 -, SO 4 -- ) como aceptor final de e - Vantagem sobre a fermentação: além da regeneração de NAD há produção de força proton- motiva para síntese adicional de ATP 24

25 Respiração aeróbica 25 Ciclo de Krebs

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27 Produção de ATP em crescimento aeróbico na presença da glicose 27 Produção liquida = 38 ATP

28 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. 28

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30 Utilização de energia 30

31 Fases de crescimento: lag, exponencial (log), estacionária, declínio Curva de crescimento Microbiano 31

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33 Crescimento microbiano Expressão matemática do crescimento –progressão geométrica de quociente 2: X 2º n 33

34 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: 20 min 34

35 35 5 x 10 7

36 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 36

37 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 37

38 Medidas do crescimento Medidas diretas –Contagem de células totais Câmaras de Petroff-Hausser e de Neubauer Contagem dos viáveis 38

39 Medidas do crescimento Contagem microscópica direta: Câmara de Petroff-Hausser 39

40 Medidas do crescimento Contagem dos viáveis 40 Superfície Pour plate

41 Contagem dos viáveis utilizando a técnica das diluições em série 41

42 Medidas do crescimento Medidas indiretas –Turbidez 42

43 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 43

44 44 Archaea acidofílica – área de mineração ácida (extração de ouro, etc.)

45 45 Rochas calcáricas Vermiculita

46 Fatores que afetam o crescimento Fatores químicos: O 2 : Aeróbicos obrigatórios Anaeróbicos obrigatórios Anaeróbicos facultativos Microaerófilos Aerotolerantes Importância : Respiração e produção de energia Reações de óxido-redução Atividade enzimática 46

47 47 aeróbios anaeróbios anaeróbios microaerófilos anaeróbios obrigatórios obrigatórios facultativos aerotolerantes

48 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 48

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51 51 Chlamydomonas nivalis

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55 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 55

56 56 Monocamada lipídica Bicamada lipídica

57 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 57

58 Fatores que afetam o crescimento Fatores físicos: Pressão osmótica (NaCl): Halotolerantes Halófilos Halófilos extremos Pressão hidrostática Barotolerantes Barófilos 58

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60 Habitat de Archaea: Great Salt Lake (2460 km 2, Utah, EUA Halofílicas extremas 60

61 Halofílicas extremas Evaporadores na Baía de São Francisco, Califórnia, EUA 61

62 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 62


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