Metabolismo microbiano Conceitos básicos Classes microbianas Quimiotrofia Fototrofia Quimiolitotrofia Integração metabólica

Conjunto das reações bioquímicas que ocorrem dentro da célula 1.Conceitos básicos Metabolismo Do grego metabole = mudança, transformação Conjunto das reações bioquímicas que ocorrem dentro da célula Catabolismo BIODEGRADAÇÃO Anabolismo BIOSSÍNTESE Energia compostos orgânicos compostos inorgânicos luz

Estocagem da energia A energia liberada das reações deve ser conservada para utilização pelas células. A energia é armazenada em ligações químicas de alta energia (fosfato) em moléculas simples, de forma a ser prontamente utilizável.

O ATP é o composto de alta energia mais importante nos seres vivos. Apesar disso, sua concentração nas células é relativamente baixa (2 mM). Para o armazenamento de energia por períodos longos, os microrganismos produzem polímeros insolúveis. Ex.: polímeros de glicose (amido e glicogênio), polímeros lipídicos, PHAs (biopoliéster).

Utilização de energia Componentes celulares: parede, membrana Síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polis-sacarídeos, fosfolipídios Reparos e manutenção da célula Crescimento e multiplicação Acumulação de nutrientes e excreção de produtos indesejáveis Motilidade

Via metabólica É a sequência das reações, começando pelos primeiros ingredientes até o produto final. As reações metabólicas ocorrem em etapas, nas quais os átomos dos intermediários são re-arranjados até a formação do produto final. Cada etapa requer uma enzima específica.

As reações de oxi-redução (redox) Um composto se torna oxidado quando: Perde elétrons Se liga a um átomo mais eletronegativo Isto geralmente ocorre quando se liga ao oxigênio - Um composto se torna reduzido quando: Ganha elétrons Se liga a um átomo menos eletronegativo E geralmente isto ocorre quando se liga ao hidrogênio Formas reduzidas de C (carboidratos, metano, lipídios, álcoois) são importantes estoques de energia em suas ligações. Formas oxidadas de C (cetonas, aldeídos, ácidos carboxílicos e CO2) dispõem de pequeno potencial energético em suas ligações.

Oxidação-redução de compostos em sistemas biológicos O doador de elétrons é referido como fonte de energia. A quantidade liberada de energia depende da natureza do doador quanto do receptor

Transportadores de elétrons É necessário o transporte de elétrons de uma parte para outra da via metabólica. Moléculas relativamente pequenas realizam o transporte. Tipos de transportadores: Que se difundem livremente: NAD+, NADP+ (nicotina-adenina-dinucleotídeo) Associados à membrana: Flavoproteínas FMN/FAD Proteínas com Fe e S Quinonas (não protéico) Citocromos (protéico) NAD+ + 2H+ + 2e- → NADH + H+ alto potencial redutor As células contém uma quantidade limitada de NAD, sendo que NADH2 precisa ser continuamente re-oxidada para manter o processo metábólico.

2. Classes microbianas

Fluxo da energia Fosforilação A produção de ATP é feita por 3 vias: Fosforilação oxidativa Fosforilação em nível de substrato Fotofosforilação Fosforilação Rendimento de até 45%

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 em 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

I 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 Pequena quantidade de NAD é reduzida a NADH H2O

Existem diversas vias glicolíticas Vias glicolíticas importantes nos diferentes microrganismos: Via Embden-Meyerhoff-Parnas (EMP) Glicólise clássica Presente em todos os organismos vivos 2. Via Hexose monofosfato (HMP) Presente em quase todos os organismos Responsável pela síntese das pentoses usadas na síntese de nucleotídios 3. Via Entner-Doudoroff (ED) Encontrada nas Pseudomonas e gêneros relacionados 4. Via Fosfoketolase (FK) Encontrada no gênero Bifidobacterium e Leuconostoc

II 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

III etapa: Cadeia respiratória (sistema de transporte de elétrons) Ocorre ao nível da membrana citoplasmática (procariotos) e na membrana das mitocôndrias (eucariotos). 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. Como o fluxo de elétrons é utilizado para conservar a energia?

Fosforilação oxidativa Geração da força protomotiva

As 3 etapas da via respiratória

Resumo 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. Uma aplicação importante que merece atenção é a utilização de processos anaeróbios no tratamento de efluentes:

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

2. Fermentação Reação de oxidação-redução internamente balanceada. Ausência de aceptores externos. A concentração de NADH nas células é baixo, precisando ser re-oxidado para não cessar a via glicolítica. A redução do piruvato a etanol ou outros produtos de 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

As vias fermentativas são úteis na identificação bioquímica: Fermentação de múltiplos ácidos Escherichia coli Base para teste Vermelho de Metila (VM) Fermentação 2,3-Butanodiol Enterobacter aerogenes Base para o teste de Voges-Proskauer (VP) Também são utilizadas na indústria: Síntese de compostos orgânicos importantes

Fermentações

Fototropia A utilização da energia da luz - Fotossíntese a) Fotossíntese oxigênica Presente nas cianobactérias e nos cloroplastos das algas. Doador de elétrons é H2O: sua oxidação gera o O2 Dois fotossistemas: PSI e PSII Maior função é produzir ATP e NADPH para a fixação de carbono. Cloroplasto de eucariotos Cianobactérias Fotossistemas em lamelas

Fotossíntese oxigênica Algas e Cianobactérias

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

b) Fotossíntese anoxigênica Doadores de elétrons variam: H2S or So nas bactérias sulfurosas verdes e púrpuras H2 ou compostos orgânicos em bactérias verdes e púrpuras não sulfurosas Apenas um fotossistema Bactérias verdes tem foto-sistema semelhante ao PSI Bactérias púrpuras tem foto-sistema semelhante ao PSII Principal função é produzir ATP via fotofosforilação

Bacterioclorofilas e carotenóides Bactérias sulfurosas, verdes e púrpuras Bacterioclorofilas e carotenóides Yellowstone Park,USA

Fotossíntese anoxigênica (bactérias púrpuras) Fotofosforilação ciclica Geração de poder redutor para a redução do CO2.

Quimiolitotrofia Características: Elétrons são removidos de doadores inorgânicos (por ex. H2). Os elétrons passam através da membrana por um sistema de transporte geralmente acoplado a síntese de ATP e NADH. Os elétrons finalmente passam para um receptor final. ATP e NADH são usados para converter CO2 em carboidrato.

Exemplos de doadores inorgânicos de elétrons: Amônia (NH4+)  Nitrito (NO2-) nas Nitrosomonas Nitrito (NO2-)  Nitrato (NO32-) nas Nitrobacter Sulfeto de hidrogênio (H2S)  Enxofre (So) em Thiobacillus, Beggiatoa, Thiomargarita Enxofre (So)  Sulfato (SO42-) em Thiobacillus Hidrogênio (H2)  Água (H2O) em Alcaligenes Thiomargarita namibiensis: uma bactéria gigante

Exemplos de receptores de elétrons Oxigênio (O2)  água (H2O) em diversos organismos Dióxido de carbono (CO2)  Metano (CH4) nas bactérias metanogênicas 4H2 + CO2 => CH4 + 2H2O Delta G° = -31 kcal/mol

Utilização da energia Generalidades: As vias começam com a síntese das unidades estruturais simples. As unidades estruturais são ativadas com a energia de moléculas como o ATP. As unidades estruturais são unidas para formar substâncias complexas da célula.

Integração do catabolismo e anabolismo

Ex. Fornecimento de precursores para biossíntese aminoácidos