Metabolismo Microbiano Produção de energia e biossíntese

Objetivos Catabolismo = quebra da estrutura das moléculas Anabolismo = reconstrução das estruturas moleculares Reações exergônicas – liberam E Reações endergônicas – requerem E Composto de transferência de E mais importante (ATP) Fosforilação em nível de substrato, fosforilação oxidativa e fotofosforilação Processo de força próton-motiva Quimiotrofia e fototrofia Glicólise Respiração e fermentação Biossíntese de moléculas e compostos

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 aquelas que utilizam E = endergônicas E = capacidade de realizar trabalho química luminosa E

2. Produção de Energia (E) Requerimentos de energia: Componentes celulares: parede, membrana, etc. Síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polis-sacarídeos, fosfolipídios, etc. Reparos e manutenção da célula Crescimento e multiplicação Acumulação de nutrientes e excreção de produtos indesejáveis Mobilidade

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

(utilizam substâncias Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte de energia e carbono Quimiotróficos (utilizam substâncias químicas como fonte de energia) Quimiolitotróficos C= CO2 Quimiorganotróficos C=orgânico

Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte de energia e carbono

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 Autotrófico/organotrófico Moléculas orgânicas Heterotrófico/litotrófico Moléculas inorgânicas

3. Principais fontes de energia Quimiorganotróficos substâncias orgânicas: Lactococcus lactis + glicose ácido lático + energia

3. Principais fontes de energia Fototróficos Luz: Anabaena cylindrica + Luz energia + compostos

Compostos de armazenamento e transferência de energia ATP = adenosina trifosfato ADP = adenosina difosfato Fosfoenolpiruvato Glicose-6-fosfato

Armazenamento de energia (Madigan et al., 2004)

4. Geração de ATP por microrganismos Reações exergônicas Reações endergônicas acoplamento - ΔGº' + ΔGº' ATP

∆G = + ∆G = -

4. Geração de ATP por microrganismos Fosforilação = adição de um grupo fosfato a um composto Fosforilação em nível de substrato Fosforilação oxidativa Fotofosforilação

ao ADP para produzir ATP Ligações de fosfato de alta energia e essa energia é transferida diretamente ao ADP para produzir ATP (Madigan et al., 2004)

Fosforilação em nível de substrato Glicose acido 2-fosfoglicérico acido fosfoenolpirúvico acido pirúvico

4. Geração de ATP por microrganismos Fosforilação em nível de substrato Fosforilação oxidativa Fotofosforilação

Fosforilação oxidativa Todas as reações de oxidação liberam energia (sistema de transporte de elétrons) A energia é armazenada temporariamente em força proton-motiva A força proton-motiva fornece energia para a síntese de ATP a partir do ADP Oxidação = perda de e- (liberam energia) Redução = ganho de e- (requerem energia)

Fosforilação oxidativa Oxidação: perda de H H H+ + e- Fe++ Fe+++ + e- COOH-CH2-CH2-COOH COOH-CH=CH-COOH + 2H STE (sistema de transporte de elétrons: série de reações integradas) energia liberada mais eficientemente sistema O/R: doador  (O/R)1  (O/R)2  (O/R)3  (O/R)4  aceptor nutriente composto oxidado

Fosforilação oxidativa (Madigan et al., 2004) Sistema de transporte de elétrons: Procarióticos = membrana citoplasmática Eucarióticos = membrana interna da mitocôndria

Exterior da célula Citoplasma

4. Geração de ATP por microrganismos Fosforilação em nível de substrato Fosforilação oxidativa Fotofosforilação

4. Geração de ATP por microrganismos Luz como fonte de energia Luz produz força proton-motiva Força proton-motiva promove síntese de ATP Onde faz e quem faz: Cianobactérias, algas, plantas verdes Nos tilacóides no citoplasma ou nos cloroplastos, devido a presença de clorofila

4. Geração de ATP por microrganismos Como faz: Além de fotofosforilação também fixam CO2 Este processo requer 2 componentes: ADP (fonte de energia) NADPH2 (doador de e- para a fixação do CO2) Depende da atividade de 2 estruturas: Fotossistema I (PS I) Fotossistema II (PS II)

Fotofosforilação CL = clorofila CR = centros de reacao (Madigan et al., 2004) CL = clorofila CR = centros de reacao Bph = bacteriofeofitina Q = quinona Fe-S = proteina Fe-S bc1 = complexo citocromo bc1 C2 = citocromo c2 Organização do complexos protéicos na membrana fotossintética de uma bactéria púrpura fototrófica. O gradiente de prótons gerado pela luz é utilizado na síntese de ATP, catalisada pela ATP sintase (ATPase).

Fotofosforilação

5. Vias metabólicas de produção de energia Vias catabólicas Glicólise Regeneração do NAD+ Fermentação Respiração: aeróbia anaeróbia

Glicólise Degradação anaeróbica da glicose a ácido pirúvico por uma sequência de reações catalizadas enzimaticamente (também chamada de via Embden-Meyerhoff )

Regeneração do NAD Através de 2 métodos Fermentação Respiração: aeróbica anaeróbica

Fermentação Ausência de O2 Reações de oxidação e redução de um composto orgânico Baixo potencial de energia (processo pouco eficiente) Oxidação acoplada à redução de composto orgânico originado a partir do substrato inicial Ocorre fosforilação em nível de substrato Ocorre no citosol

Este é o processo básico na industria de produção de bebidas alcoólicas

Produtos da fermentação Espécie microbiana Principal produto da fermentação Acetivibrio cellulolyticus Ácido acético Actinomyces bovis Ácidos acético, fórmico, láctico, etc. Clostridium acetobutylicum Acetona, butanol, etanol, ácido fórmico, etc. Enterobacter aerogenes Etanol, ácido fórmico, CO2, etc. Escherichia coli Etanol, ácidos láctico, acético, fórmico, succínico, etc. Lactobacillus brevis Etanol, glicerol, CO2, ácidos láctico, acético, etc. Streptococcus lactis Ácido láctico Succinimonas amylolytica Ácidos acético e succínico

Respiração Processo de regeneração do NAD onde o NADH2 é o doador de e- para o sistema de transporte de e- Se o O2 é o aceptor final de e-, então respiração aeróbica Se outra molécula (NO3-, SO4--) for o aceptor final de e-, então respiração anaeróbica Vantagem sobre a fermentação: além da regeneração de NAD há produção de forca proton-motiva para síntese adicional de ATP

5. Respiração aeróbica

Produção de ATP em crescimento aeróbico na presença da glicose

Respiração anaeróbia aceptor final de elétrons diferente do O2 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

Biossíntese Energia para síntese de compostos celulares: ácidos nucléicos (DNA, RNA), substâncias nitrogenadas (aa, enzimas, proteínas), carboidratos (peptidoglicano), lipídeos, etc. ATP para processos como divisão celular, mobilidade, transporte ativo de nutrientes, etc.

Utilização de energia

Biossíntese de compostos nitrogenados N inorgânico (NH3+) Aminoácidos Arranjo de aminoácidos Proteínas/enzimas Purinas e pirimidinas Nucleotídeos Ácidos nucléicos (DNA, RNA)

Biossíntese de aa e proteínas Ativação química dos aminoácidos via junção com ATP (gera AMP + pirofosfato) Inibição por feedback Proteínas sintetizadas através do código genético Síntese de RNA é pré-requisito para a síntese de proteínas

Fornecimento de precursores de aminoácidos (Madigan et al., 2004)

Biossíntese de nucleotídeos e ácidos nucléicos Nucleotídeo = base nitrogenada-pentose-fosfato ribose = ribonucleotídeos (RNA) desoxirribose = desoxirribonucleotídeos (DNA) Ativação dos nucleotídeos (ATP) Síntese de ácidos nucléicos a partir de nucleotídeos ativados

Biossíntese de nucleotídeos e ácidos nucléicos (Madigan et al., 2004)

Biossíntese de carboidratos CO2 Triose Pentoses e hexoses Nucleotídeos Polissacarídeos (peptidoglicano, celulose, amido, etc.) RNA e DNA

Biossíntese de carboidratos

Biossíntese de ácidos graxos Glicose Glicólise Ácido pirúvico Acetil coA e Malonil coA Ácidos graxos de cadeia longa Glicerol fosfato Fosfolipídios

Outras utilizações de energia Transporte Motilidade Reparos Produção de estruturas de resistência (endosporos)