Radiações Espectro eletromagnético Efeito da radiação nos microrganismos Extremófilos. Aplicações

Radiação solar A radiação solar fornece anualmente para a atmosfera 1,5 x 1018 kWh de energia, que suporta a vasta maioria das cadeias tróficas, sendo o sustentáculo da vida na Terra. Cerca de metade desta energia é recebida como luz visível na parte de frequência mais alta do espectro eletromagnético e o restante na do infravermelho próximo e como radiação ultravioleta.

Transformações energéticas na Biosfera Energia luminosa de alta qualidade é captada pelo mundo vivo e convenientemente transformada em sucessivas operações metabólicas.

Espectro eletromagnético Radiação com comprimento de onda (λ) curto é mais ativa quimicamente e biologicamente.

Radiação Ionizante (raios X e γ ) Não ionizante (raios UV) 1. Elevada energia produz a ionização das moléculas ou radicais livres. 2. Geralmente mutagênica ou letal (bactérias são mais resistentes do que plantas e animais) 3. Endósporos são resistentes a radiação ionizante. Não ionizante (raios UV) 1. Comprimento de onda da UV coincide com a absorção máxima do DNA. 2. Pode ser atenuada pela luz visível particularmente na faixa do azul. Radiação visível 1. Intensidade influencia a fotossíntese (alguns microrganismos operam em baixas e outros em elevadas intensidades) 3. A cor da luz é importante e depende do habitat e dos pigmentos fotossintéticos.

Fotossíntese Processo biossintético em que a energia luminosa é capturada e usada na produção de carboidratos Os pigmentos absorvem a energia da luz e a conservam em ATP.

energia da luz é convertida em energia química Reações LUMINOSAS energia da luz é convertida em energia química Quando 1 fóton de luz é absorvido a molécula fica energizada Reações de “ESCURO” energia química é usada para reduzir CO2 em constituintes celulares

Pigmentos

Outros pigmentos Porque existem tantos pigmentos e diferentes faixas de absorção da luz?

Espectros de absorção de pigmentos em vários grupos de microrganismos Clorofila e ficobilinas absorvem entre o azul e o vermelho 400-700 nm Bactérias oxigênicas e algas Bacterioclorofilas absorvem também no infra-vermelho de 700 a 1000 nm (ondas de calor) Podem operar no escuro Bactérias anoxigênicas Espectros de absorção de pigmentos em vários grupos de microrganismos

Habitat - superfície das águas Absorvem no azul e vermelho FOTOSSÍNTESE CIANOBACTÉRIAS e ALGAS aeróbias Habitat - superfície das águas FOTOSSÍNTESE BACTERIANA anaeróbia Habitat - águas profundas, superfície do lodo Complementaridade Absorvem também no infravermelho

Funções dos pigmentos Absorção primária para fotossíntese Agentes de foto-proteção carotenóides absorvem luz com efeito deletério Resposta fototática Coloração é importante no reconhecimento Morfogênese e resposta sexual

Clorofilas a e b cianobactérias e algas - fotossíntese oxigênica Dispõem de clorofila a e b (cor verde) Espectro de absorção é diferente e se complementam aumentando a faixa no espetro Existe uma falha no meio do espetro. microrganismos usam outros pigmentos (denominados acessórios) que absorvem comprimentos de onda não absorvidos pela clorofila. São os carotenóides e ficobilinas.

Cianobactérias Cianobactérias são o maior e mais diverso grupo de bactérias fotossintéticas Seu sistema fotossintético se assemelha ao dos eucariotos. Tem clorofila a e fotossistemas I e II Usam H2O como doador de elétrons Crescem a superfície dos mananciais de água Com parede celular de Gram-

CIANOBACTÉRIAS Fotofosforilação acíclica

Bacterioclorofilas bactérias púrpuras e verdes sulfurosas - fotossíntese anoxigênica Fotofosforilação cíclica Anaeróbias obrigatórias Usam H2S ou S0 como doadores de elétrons Usam comprimentos de onda de luz que permitem crescer em maiores profundidades.

Bactérias púrpuras e verdes não-sulfurosas Têm capacidades fotossintéticas idênticas às das sulfurosas. A diferença está na falta de capacidade para manipularem compostos de enxofre. Recorrem a moléculas orgânicas como fonte de redutores para a produção de NADH. São aeróbios facultativos. Enquanto fotossintéticos, ocupam obrigatoriamente nichos ecológicos anaeróbios. Chloroflexus + cianobactéria Chloroflexus é o gênero mais representativo das bactérias verdes não sulfurosas: Presente em meios alcalinos e águas termais Em geral Chloroflexus é photoeterotrófica, mas algumas espécies crescem autotroficamente com hidrogênio ou sulfeto como doador de elétrons.

Rhodopseudomonas é outro gênero representante das bactérias púrpuras não sulfurosas: Presentes em muitos ambientes marinhos e solos Tem espécies com potencial para degradar compostos aromáticos Pode fixar nitrogênio e realizar todas as classes metabólicas Rhodopseudomonas palustris

Aspectos deletérios das radiações Radiação ionizante ( raios X e γ < 200 nm) Radiação não ionizante (raios UV 200 - 400 nm)

Efeitos da radiação 1. Ionizante – poder penetrante que quebra o DNA pela formação de íons reativos, que causam mutação e morte. Usados para esterilizar equipamentos médicos e produtos alimentícios 2. Não ionizante – pouco poder penetrante, usado para esterilizar o ar, água e superficies sólidas UV produz dímeros de timina e pirimidina que interfere na replicação.

Mecanismos de reparo Quebra do DNA por radiação ionizante excisão dos nucleotídeos DNA danificado por radiação não ionizante: FOTOREATIVAÇÃO: dímeros separam na presença da luz REATIVAÇÃO no “escuro”: dímeros são excluídos e substituídos.

Radiação visível - Luz visível Em elevadas intensidades gera oxigênio na forma (1O2 ) PODEROSO AGENTE OXIDANTE - Pigmentos carotenóides Protegem muitos microrganismos da fotoxidação

Radiação e alimentos (preservação) Radiação gama usada para esterilizar alimentos, mata insetos, parasitas e impede a frutificação das plantas.

“Conan”, a bactéria Tétrades Deinococcus radiodurans http://science.nasa.gov/NEWHOME/headlines/ast14dec99_1.htm Tétrades Deinococcus radiodurans Presença de carotenóides

Deinococcus radiodurans Bactéria descoberta em 1956 em lata de carne irradiada Temperatura ótima de crescimento 30 °C Quimiorganotrófica com metabolismo respiratório Genoma sequênciado Na fase estacionária dispõem de 4 cópias de cromossomos/célula e até 10 cópias na fase exponencial de crescimento Extremamente resistente a efeitos letais e mutagênicos da radiação ionizante.

Aplicações Uso na clonagem de microrganismos com capacidade para remediar locais contaminados com radiação, solventes e metais pesados. Ex. Gene de Deinococcus que codifica pra a enzima mercúrio redutase foi clonada em E. coli para detoxificar resíduos de mercúrio encontrado em água radiotiva gerada na produção de armas nucleares.

Dessecação e resistência a radiação Tem-se sugerido que a radioresistencia de D. radiodurans é simplesmente um efeito colateral de um mecanismo para lidar com a dessecação celular prolongada. Um experimento demonstrou que cepas mutantes de D. radiodurans que são altamente suscetíveis a danos causados por radiações ionizantes também são altamente suscetíveis a danos causados por desidratação prolongada.