Metabolismo e Processos Microbianos Pós-graduação em Agroecossistemas Disciplina: Ecologia Microbiana Metabolismo e Processos Microbianos

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

2. Produção de Energia (E) Requerimentos de energia:

Degradação Síntese Crescimento celular, reprodução, manutenção 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

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

Moléculas inorgânicas Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte de energia e carbono Tipo fisiológico Fonte de Energia Fonte de Carbono Foto Luz Quimio Química Organotrófico/heterotrófico Moléculas orgânicas Autotrófico/litotrófico Moléculas inorgânicas 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

Rotas Metabólicas para Aquisição de Energia, Força Redutora e Intermediários de Carbono para Biossíntese Quanto a Fonte de Energia Quanto à força redutora Quanto a fonte de Carbono para o Anabolismo Moreira & Siqueira, 2006

Processos do Fluxo de Energia, Carbono e Nutrientes no Sistema Solo-Planta-Organismos Moreira & Siqueira, 2006

Produção de Compostos Intermediários que Integram os Processos Bioquímicos dos Organismos Autotróficos e Heterotróficos Moreira & Siqueira, 2006

2. Enzimas Catalisadores das reações Aumentam as velocidades de reação de 108 a 1020 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

Catalise e enzimas Reação exergônica

COMPLEXO ENZIMA-SUBSTRATO

Origem: microrganismos, plantas e animais Enzimas do Solo São proteínas com ação catalítica e alta especificidade funcional que viabilizam reações que sustentam o metabolismo celular. Origem: microrganismos, plantas e animais Classificação: Quanto ao local de atividade - Extracelulares Intracelulares Quanto à posição de ataque no polímero - Exoenzima - Endoenzima Características: Alta especificidade de reação Não são consumidas na reação Sujeitas à indução, ativação, inibição, desnaturação e biodegradação Alta resistência (alta estabilidade térmica e resistência ao ataque de proteases)

Importância das Enzimas no Solo Decomposição de resíduos orgânicos; Fertilidade do Solo: As enzimas têm participação essencial no ciclo dos nutrientes. Adubação orgânica, rotação de culturas e presença de vegetação (rizosfera) favorecem a atividade enzimática, podendo ter correlação positiva com produtividade ou qualidade do solo; Eficiência no uso de fertilizantes: Ex. A urease é necessária para o aproveitamento do N. Porém aplicações incorretas de fertilizantes a base de uréia aumentam as perdas de N por volatilização; Índices Enzimáticos Indicadores de Qualidade (Há a necessidade de pesquisas para estabelecer se estes índices têm aplicações agronômicas) Indicadores: - Interações entre plantas - Estado de oxi-redução do solo - Estratificador ecológico - Indicador qualidade do solo/presença de poluentes

3. Metabolismo Microbiano “Metabolismo se refere à obtenção de C e energia para crescimento celular, manutenção e sobrevivência” Metabolismo Degradativo Liberação de energia (catabolismo) Metabolismo Central Processos simultâneos, controlados geneticamente (enzimas) e por fatores externos Metabolismo de Síntese Consumo de energia (anabolismo)

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

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

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: Piruvato (glicólise quando o substrato é a glicose) Ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs) Cadeia respiratória

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. Características: Oxidação parcial da glicose a piruvato Pequena quantidade de ATP é gerada (produção líquida de 2 ATP) Pequena quantidade de NAD é reduzida a NADH

2ª etapa: Ciclo de Krebs Ocorre no citoplasma (procariotos) e nas mitocôndrias (eucariotos). Reações preparatórias: formação de composto chave do processo 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

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.

Fosforilação oxidativa Geração da força protomotiva

As 3 etapas da via respiratória

Síntese da respiração aeróbia Reações de oxidação e redução em presença de um aceptor de elétrons externo, o O2 A molécula inteira do substrato é oxidada até CO2 Alto potencial de energia Grande quantidade de ATP pode ser gerada: teoricamente 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 .................................................... 38 ATP

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 O2. O uso de aceptores alternativos permitem os microrganismos respirarem em ambientes sem oxigênio, sendo de extrema importância ecológica. Oxidação de substratos orgânicos ou inorgânicos: C6H12O6 + 12 NO3-  6CO2 + 6H2O + 12NO2- 2 lactato + SO4= + 4H+  2 acetato + 2CO2 + S= + H2O Quantidade de energia produzida é menor

2. Fermentação (também é uma forma de respiração anaeróbia 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.

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 O2 não é necessário Não há obtenção adicional de ATP. Gases (CO2 e/ou H2) podem ser produzidos

Maior potencial redutor (fornecer e-) Maior potencial oxidante (receber e-)

Taxa crescimento específico Crescimento Microbiano em Relação ao Consumo de Substrato, Geração de Energia, Produtos Metabólicos e Biomassa Depende da taxa de decomposição e eficiência de conversão do carbono em biomassa (ver tabela 4.2) Taxa crescimento específico Coeficiente manutenção Biomassa produzida Crescimento real - Aerobiose = O2 como aceptor de e- - Anaerobiose = Formas inorgânicas de N, S, C e metais. Moreira & Siqueira, 2006

4. Os Processos Microbianos e a Manutenção dos Ecosistemas “Processos - sequência de reações através das quais se realizam transformações da matéria” - No solo ocorrem inúmeros processos com alto grau de complexidade, sendo os mais importantes os bioquímicos, resultantes principalmente da atividade dos organismos microscópicos que crescem neste ambiente - Os organismos do solo são responsáveis direta ou indiretamente por processos bioquímicos diversos que controlam as transformações dos elementos químicos e transferências de energia no sistema solo-planta-atmosfera Base de sustentação e produtividade dos ecossistemas terrestres em equilíbrio

Processos Biológicos do Solo: Suas Inter-relações e Funções no Ecossistema Siqueira & Trannin, 2003

5. Biomassa Microbiana Parte viva da matéria orgânica do solo, composta por todos os organismos menores que 5.10-3 mm3 – Fungos, bactérias actinomicetos, leveduras e microfauna (protozoários) Cerca de 98% do C-orgânico do solo é matéria orgânica morta 2% do C-orgânico do solo é composto pela fração viva. 5 a 10% - Raízes 15 a 30% - Macrofauna 60 a 80% - Microrganismos (1 a 5% da MOS total) BIOMASSA

Transformações e Ciclagem de C, N, P e S no Sistema Solo-Planta Mediados pela Microbiota do Solo Moreira & Siqueira, 2006

Características da Biomassa Microbiana Muito dinâmica, responsável por grande parte da atividade biológica do solo; Catalisa as transformações bioquímicas, representando fonte e dreno de C e troca de nutrientes entre a atmosfera e o ecossistema solo-planta; Destino inicial do C em transformação; Principal fonte de enzimas do solo; Atividade catalisadora – De 15 a 30% da população total é ativa (depende das condições); Atividade: Fungos = 700 a 2.700 kg ha-1; Tempo de geração = 4 a 8 horas (2-10% atividade) Bactérias = 500 a 750 kg ha-1; Tempo de geração = 0,5 hora (15-30% atividade) Microfauna = < 50 kg ha-1; Tempo de geração = 2 a 4 horas (pouco conhecida) Os valores de biomassa variam muito com o tipo de solo, vegetação e clima

Características da Biomassa Microbiana (cont…) A biomassa microbiana representa o maior reservatório proporcional da matéria orgânica ativa em solos tropicais que naqueles de clima temperado; A quantidade de biomassa encontrada no solo é de certo modo, em determinado tempo, relacionada à quantidade de C que este solo recebe; A quantidade de C residual na biomassa depende da degradabilidade do substrato, variando de 20-40% C (prontamente assimiláveis) no período de 8-12 semanas. Sucessão Trófica Obs: Apenas 20% de C da lignina é perdido na forma de CO2 após um ano de decomposição Baixa conversão em biomassa, permanecendo recalcitrante no solo

Características da Biomassa Microbiana (cont…) Menores valores de biomassa podem ser encontrados em: áreas degradadas, várzeas, solos sob cultivo intensivo ou contaminados com metais pesados; A biomassa é um reservatório lábil de nutrientes no solo que recicla muito rapidamente, tornando-os disponíveis para as plantas A manutenção da cobertura vegetal do solo e o uso de corretivos e fertilizantes (especialmente N e P) resulta no enriquecimento da biomassa. Esta possibilidade é de grande relevância para a sua dinâmica em solos tropicais, nos quais se verifica elevada capacidade de retenção de P na fração mineral, reduzindo sua disponibilidade para as plantas. Quociente Metabólico (qCO2) Refere-se à liberação de CO2 por unidade de biomassa por certo tempo (C-CO2/C-mic h-1), o que corresponde a um índice de atividade heterotrófica específica da biomassa. Valores elevados de qCO2 indicam que a população microbiana encontra-se sob estresse, ou seja, há uma necessidade energética mais elevada para manutenção desta.

Densidade e Atividade Microbiana em Solo Contaminado por Metais Pesados Solo Contaminado: Embora há uma menor quantidade de microrganismos, há um consumo maior de energia para manutenção (qCO2 correlacionado com os teores de metais pesados) Moreira & Siqueira, 2006