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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) Formas de produção de energia 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 - 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

4 G = + G = - 4

5 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) 5

6 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 6

7 Tipos de energia Energia química – energia contida em ligações químicas das moléculas Energia radiante (energia da luz) – deve ser convertida em energia química 7

8 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 8

9 9

10 Tipo fisiológicoFonte de EnergiaFonte de Carbono FotoLuz QuimioQuímica Organotrófico/heterotróficoMoléculas orgânicas Autotrófico/litotróficoMoléculas inorgânicas 10 Fotoautotrófico = plantas, cianobactérias, algas verdes Fotoorganotrófico/hetero = bactérias púrpuras, exceto as abaixo Fotolitotróficas = bactérias púrpuras metabolizantes do S Quimioautotrófico = Archaea metanogênicas Quimiorganotrófico/hetero = maioria bactérias e fungos Quimiolitotrófico = bactérias nitrificadoras

11 Enzimas 11 Catalisadores das reações Aumentam as velocidades de reação de 10 8 a vezes Tem sítios ativos de ligação do substrato Podem conter outras moléculas acopladas Grupos prostéticos – grupo heme dos citocromos é um exemplo Coenzimas – derivadas de vitaminas (NAD + /NADH) Terminação ase ao seu substrato Celulase: degradam celulose Glicose-oxidase: catalisa a oxidação da glicose Ribonuclease: decompõe acido ribonucleico Lisozima: cliva o peptideoglicano

12 Catalise e enzimas 12 Reação exergônica

13 13 COMPLEXO ENZIMA-SUBSTRATO

14 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 14

15 Armazenamento de energia 15 (Madigan et al., 2010) Ligacoes tioéster

16 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 16

17 4. Geração de ATP por microrganismos Reações exergônicas Reações endergônicas acoplamento - ΔGº' ATP + ΔGº' 17 ΔG = variação de energia durante as reações

18 Fermentação Respiração 4. Geração de ATP por microrganismos 18 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)

19 Fosforilação em nível de substrato 4. Geração de ATP por microrganismos Fermentação Fosforilação = adição de um grupo fosfato a um composto 19

20 (Madigan et al., 2004) Ligações de fosfato de alta energia e essa energia é transferida diretamente ao ADP para produzir ATP 20

21 Glicose acido 2-fosfoglicérico acido fosfoenolpirúvico acido pirúvico 21 GLICÓLISE Fosforilação a nível de substrato

22 Fosforilação oxidativa Fotofosforilação 4. Geração de ATP por microrganismos Respiração 22

23 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 23 nutriente composto oxidado

24 Fosforilação oxidativa – força proton-motiva Sistema de transporte de elétrons : Procarióticos = membrana citoplasmática Eucarióticos = membrana interna da mitocôndria 24

25 Exterior da célula Citoplasma 25

26 26

27 27

28 28 ATPase

29 Fosforilação oxidativa Fotofosforilação Geração de ATP por microrganismos Respiração

30 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 Geração de ATP por microrganismos Respiração

31 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 31

32 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 reação Bph = bacteriofeofitina Q = quinona Fe-S = proteína Fe-S bc 1 = complexo citocromo bc1 C 2 = citocromo c2 32

33 Fotofosforilação 33 Estroma

34 5. Vias metabólicas de produção de energia Vias importantes Glicólise Regeneração do NAD + Fermentação Respiração: aeróbia anaeróbia 34

35 Glicólise Degradação anaeróbica da glicose a ácido pirúvico por uma sequência de reações catalizadas enzimaticamente (também chamada de via Embden-Meyerhoff ) 35

36 36 Produção líquida de 2 ATP

37 Regeneração do NAD Através de 2 métodos Fermentação Respiração: aeróbica anaeróbica 37

38 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 38

39 Este é o processo básico na indústria de produção de bebidas alcoólicas 39

40 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 40

41 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 força proton- motiva para síntese adicional de ATP 41

42 5. Respiração aeróbica 42 Ciclo de Krebs

43 Produção de ATP em crescimento aeróbico na presença da glicose 43 Produção liquida = 38 ATP

44 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 44

45 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. 45

46 46

47 Utilização de energia 47

48 Biossíntese de compostos nitrogenados N2N2 N inorgânico (NH 3 + ) Aminoácidos Arranjo de aminoácidos Proteínas/enzimasPurinas e pirimidinas Nucleotídeos Ácidos nucléicos (DNA, RNA) 48

49 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 49

50 Fornecimento de precursores de aminoácidos (Madigan et al., 2004) 50

51 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 51

52 (Madigan et al., 2004) Biossíntese de nucleotídeos e ácidos nucléicos 52

53 Biossíntese de carboidratos Triose Pentoses e hexoses NucleotídeosPolissacarídeos (peptidoglicano, celulose, amido, etc.) CO 2 RNA e DNA 53

54 Biossíntese de ácidos graxos Ácido pirúvico Acetil CoA e Malonil CoA Ácidos graxos de cadeia longa Glicose Fosfolipídios Glicólise Glicerol fosfato 54

55 Outras utilizações de energia Transporte Motilidade Reparos Produção de estruturas de resistência (endosporos) 55


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