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.

Produção de energia 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

Fontes de energia Para a maioria dos microrganismos a energia é retirada de moléculas químicas (nutrientes) Para outros a energia é proveniente da luz.

(utilizam substâncias químicas 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

Anabaena cylindrica (cianobactéria) Luz energia

Compostos que armazenam 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% Em motores a explosão ou em turbinas o rendimento oscila em torno de 30%. Fosforilação

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 reduzidos, enquanto outros mais oxidados

Fosforilação em nível de substrato

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 uma cadeia de transporte de elétrons (série de reações integradas) ► energia liberada aos poucos e mais eficientemente (até 45 %)

Peter Mitchell, 1978- Prêmio Nobel

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

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 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

Vias de degradação de nutrientes para produção de energia

Carreadores 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+, NADP+ Associados à membrana: Flavoproteínas FMN/FAD Proteínas com Fe e S Quinonas NAD+ + 2 e- + 2 H+ → NADH + H bom doador

Vias de degradação de nutrientes para produção energia Vias catabólicas - regeneração do NAD+ (as células possuem uma quantidade limitada de NAD) 1. Fermentação: O NAD é regenerado utilizando um aceptor produzido pela própria célula 2. Respiração aeróbia 3. Respiração anaeróbia Todas as vias também fornecem precursores para a biossíntese

quantidade limitada na célula Glicólise Lactobacilos Enterobactérias Leveduras

Síntese da Fermentação ausência de aceptores externos de elétrons reações de oxidação e redução de um composto orgânico balanceadas internamente fosforilação em nível de substrato Pouca eficiência na produção de de energia: (2 ATP/mol de glicose) Maior parte da energia retida no produto final: O álcool tem alto teor energético

Vias catabólicas 1. Fermentação 2. Respiração aeróbia: regeneração do NAD+ 1. Fermentação 2. Respiração aeróbia: - O NADH doa elétrons para o sistema de transporte de elétrons para regenerar o NAD. - O aceptor final de elétrons é o oxigênio - Resulta também na geração da força protomotiva e produção de mais ATP 3. Respiração anaeróbia

O ciclo de Krebs (ciclo do ácido cítrico) A degradação da glicose por organismos aeróbios normalmente não para com a produção do ácido pírúvico. Cada molécula de NADH pode doar elétrons para o sistema de transporte para geração da força protomotiva e produção de ATP.

Fosforilação oxidativa

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

3. 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 de aminoácidos

Biossíntese Polímeros Polissacarídeos (ex: peptideglicano) são sintetizados a partir de hexoses como o UDP-Glicose A ativação do monossacarídeo utiliza energia do ATP e UTP (uridina trifosfato)

Ácidos nucléicos ATP

Aminoácidos

Para biossíntese de lipídeos Ácidos graxos Para biossíntese de lipídeos Energia fornecida pelo NADPH