Metabolismo microbiano Produção de energia e biossíntese

Introdução Metabolismo grego: metabole = mudança, transformação Toda a atividade química realizada pelos organismos São de dois tipos gerais: - Aquelas que envolvem a liberação de energia: CATABOLISMO - Aquelas envolvidas na utilização da energia: ANABOLISMO Muitos dos mecanismos metabólicos microbianos são também utilizados pelos macro organismos, inclusive o homem.

Requerimentos de energia: Síntese dos componentes celulares: parede, membrana, etc. síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, etc. reparos e manutenção da célula crescimento e multiplicação acumulação de nutrientes e excreção de produtos indesejáveis motilidade

(utilizam substâncias químicas Fontes de energia Para a maioria dos microrganismos a energia é retirada de moléculas químicas (nutrientes) QUIMIOTRÓFICOS (utilizam substâncias químicas como fonte de energia) QUIMIOLITOTRÓFICOS C= CO2 QUIMIORGANOTRÓFICOS C=orgânico Nitrosomonas europaea: amônia nitrito + energia Streptococcus lactis: glicose ácido lático + energia

Luz energia Para outros a energia é proveniente da luz. Anabaena cylindrica (cianobactéria) Luz energia

Mais importante nos seres vivos Compostos que armazenam energia O ACOPLAMENTO ENTRE A GERAÇÃO E A UTILIZAÇÃO DA ENERGIA É FEITO POR COMPOSTOS DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA Mais importante nos seres vivos

Fluxo da energia A concentração de ATP na célula é baixa. Numa célula em plena atividade chega a 2 mM Até 45% Fosforilação Em motores a explosão ou em turbinas o rendimento oscila em torno de 30%.

Produção de ATP pelos microrganismos Mecanismos: a. Fosforilação em nível de substrato: O grupo fosfato de um composto químico é removido e adicionado diretamente ao ADP b. Fosforilação oxidativa c. Fotofosforilação

O grupo fosfato é adicionado a algum intermediário tornando-se de alta energia que pode ser transferido ao ADP. Reações OXI-RED internamente balanceadas: alguns átomos do substrato tornam-se mais oxidados, enquanto outros mais reduzidos Oxidação: perda de elétrons Redução: ganho de elétrons

Fosforilação em nível de substrato NAD  NADH2: nicotinamida-adenina dinucleotídeo Função: transportador de hidrogênio

b. Fosforilação oxidativa A energia liberada pela oxidação de compostos químicos é utilizada na síntese de ATP Oxidação: perda de elétrons (ou também perda de H) H  H+ + e- COOH-CH2-CH2-COOH  COOH-CH=CH-COOH + 2H (ácido succínico) A Fosforilação oxidativa envolve um sistema de transporte de elétrons (série de reações integradas) ► a energia é liberada aos poucos e mais eficientemente (até 45 %)

Fosforilação oxidativa Sistema O/R: próximo membro do sistema tem maior capacidade para receber elétrons

Peter Mitchell, 1978- Prêmio Nobel

O NADPH é utilizado para reduzir o CO2 no processo de fixação do CO2 3. Fotofosforilação: A energia da luz é utilizada para a síntese de ATP O NADPH é utilizado para reduzir o CO2 no processo de fixação do CO2

Vias de degradação de nutrientes para produção de energia Microrganismos que obtém energia de nutrientes orgânicos (Quimiotróficos) devem inicialmente decompor os nutrientes em compostos que possam ser utilizados para a produção de energia. Isso é feito por meio de uma série de reações químicas catalisadas por enzimas: catabolismo

Transportadores de elétrons Numa reação de oxidação-redução, a transferência de elétrons normalmente requer a participação de intermediários, denominados carreadores. Classes: Que se difundem livremente: NAD+ e NADP+ NAD+ + 2 e- + 2 H+ → NADH + H bom doador Associados à membrana: Flavoproteínas FMN/FAD Proteínas com Fe e S Quinonas

Principais vias de degradação de nutrientes para produção de energia

Glicólise Aspecto importante da via: As células possuem quantidade limitada de NAD Para a continuidade da glicólise é necessário uma forma para sua regeneração

Regeneração do NAD Os seres vivos usam dois métodos para regenerar o NAD a partir do NADH: 1. Fermentação: - O NAD é regenerado utilizando um aceptor produzido pela própria célula 2. Respiração (aeróbia e anaeróbia): - O NADH doa elétrons para o sistema de transporte de elétrons para regenerar o NAD. - Resulta também na geração da força protomotiva e produção de mais ATP - O aceptor final de elétrons é externo

Síntese da Fermentação: Lactobacilos Enterobactérias Síntese da Fermentação: ausência de aceptores externos de elétrons reações balanceadas internamente (fosforilação em nível de substrato) Pouca eficiência na produção de energia Maior parte da energia retida no produto final Leveduras

Respiração A degradação da glicose pelos microrganismos aeróbios não para com a produção de ácido pirúvico. Ela prossegue com uma série de reações conhecida como ciclo de Krebs (ciclo do ácido cítrico) Cada molécula de NADH pode doar elétrons para o sistema de transporte para geração da força protomotiva e produção de ATP.

Respiração aeróbia reações de oxidação e redução em presença de um aceptor de elétrons externo - o O2 A molécula inteira do substrato é oxidada alto potencial de energia grande quantidade de ATP é gerada: 38 ATPs

Respiração anaeróbia Aceptor final de elétrons diferente do O2 C6H12O6 + 12 NO3-  6CO2 + 6H2O + 12NO2- 2 lactato + SO4= + 4H+  2 acetato + 2CO2 + S= + H2O A respiração anaeróbia, exclusividade dos procariotos, só ocorre em ambientes onde o oxigênio é escasso, como nos sedimentos marinhos e lacustres ou próximo de nascentes hidrotermais submarinas.

Nenhum desses aceptores são eletro positivos quanto o O2/H2O. Assim, menos energia é liberada. Em contrapartida, o uso desses aceptores alternativos permitem os microrganismos respirarem na ausência de O2, com grande importância ecológica.

Utilização da energia

Generalidades sobre as vias biossintéticas: As vias começam com a síntese das unidades estruturais simples As unidades estruturais são ativadas com a energia de moléculas como o ATP, GTP, NADH, NADPH As unidades estruturais são unidas para formar substâncias complexas da célula.

Fornecimento de precursores para biossíntese aminoácidos

Aminoácidos

Ácidos graxos Ácidos nucléicos biossíntese de lipídeos ATP ATP GTP ATP Energia fornecida pelo NADPH

Biossíntese de polímeros Polissacarídeos são sintetizados a partir de hexoses como o UDP-Glicose (ex: peptidoglicano) A ativação do monossacarídeo utiliza energia do ATP e UTP (uridina trifosfato) Além da biossíntese a célula bacteriana utiliza energia para operar os mecanismos de transporte que conduzem os nutrientes do ambiente para dentro da célula e a atividade do flagelo na motilidade celular.