Metabolismo e crescimento Microbiano

Introdução Metabolismo: São de 2 tipos: toda a atividade química realizada por um organismo São de 2 tipos: aquelas que liberam E = exergônicas - catabólicas aquelas que utilizam E = endergônicas - anabólicas

∆G = + ∆G = - Catabólica Anabólica

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

Compostos ricos em energia: armazenamento e transferência de energia (imediata) ATP = adenosina trifosfato ADP = adenosina difosfato Fosfoenolpiruvato Glicose-6-fosfato Coenzimas: Acetil CoA, NAD, NADH, NADPH

Armazenamento de energia Ligacoes tioéster (Madigan et al., 2010)

Geração de ATP por microrganismos - Fermentação Fosforilação a nível de substrato = GLICÓLISE Glicose acido 2-fosfoglicérico acido fosfoenolpirúvico acido pirúvico

Geração de ATP por microrganismos - Respiração 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 sistema O/R: doador  (O/R)1  (O/R)2  (O/R)3  (O/R)4  aceptor nutriente composto oxidado

Exterior da célula Citoplasma

Geração de ATP por microrganismos - Respiração Fotofosforilação 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 (fototróficos) Nos tilacóides no citoplasma ou nos cloroplastos, devido a presença de clorofila

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 reação (Madigan et al., 2010) CL = clorofila CR = centros de reação Bph = bacteriofeofitina Q = quinona Fe-S = proteína 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 Estroma

Vias metabólicas de produção de energia Vias importantes Glicólise Via de 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 )

Produção líquida de 2 ATP

Regeneração do NAD (Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo) 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) Ocorre fosforilação em nível de substrato Ocorre no citosol

Este é o processo básico na indústria 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- Respiração aeróbica: O2 é o aceptor final de e- Respiração anaeróbica: outra molécula (NO3-, SO4--) como aceptor final de e- Vantagem sobre a fermentação: além da regeneração de NAD há produção de força proton-motiva para síntese adicional de ATP

Respiração aeróbica Ciclo de Krebs

Produção de ATP em crescimento aeróbico na presença da glicose Produção liquida = 38 ATP

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

Curva de crescimento Microbiano Fases de crescimento: lag, exponencial (log), estacionária, declínio

Crescimento microbiano Expressão matemática do crescimento progressão geométrica de quociente 2: 1 2 4 8 16 32 ......... X 2º 21 22 23 24 25 ......... 2n

Crescimento microbiano Tempo de geração: tempo necessário para a divisão das células depende da espécie e das condições de crescimento g = t/n, onde: g = tempo de geração t = tempo de crescimento n = número de gerações dentro de um tempo t de crescimento E. coli: 20 min

5 x 107

Crescimento microbiano população final (N) = N0 x 2n A relação entre o número de células e de gerações pode ser expressa em uma série de equações matemáticas: sendo a população inicial = N0 1ạ geração N = N0 x 21 2ạ geração N = N0 x 22 3ạ geração N = N0 x 23 nạ geração N = N0 x 2n população final (N) = N0 x 2n

Crescimento microbiano população final (N) = N0 x 2n A relação entre o número de células e de gerações pode ser expressa em uma série de equações matemáticas: sendo a população inicial = 5 1ạ geração N = N0 x 21 = 5 x 2 = 10 2ạ geração N = N0 x 22 = 5 x 22 = 20 3ạ geração N = N0 x 23 = 5 x 23 = 40 nạ geração N = N0 x 2n = 5 x 2n população final (N) = N0 x 2n

Medidas do crescimento Medidas diretas Contagem de células totais Câmaras de Petroff-Hausser e de Neubauer Contagem dos viáveis

Medidas do crescimento Contagem microscópica direta: Câmara de Petroff-Hausser

Medidas do crescimento Contagem dos viáveis Superfície Pour plate

Contagem dos viáveis utilizando a técnica das diluições em série

Medidas do crescimento Medidas indiretas Turbidez

Fatores que afetam o crescimento Fatores químicos: pH: neutrófilos – pH ≈ 7.0 acidófilos – pH < 7.0 alcalófilos – pH > 7.0 Importância: Atividade enzimática Conformação protéica Disponibilidade de metais e elementos orgânicos

Archaea acidofílica – área de mineração ácida (extração de ouro, etc.)

Vermiculita Rochas calcáricas

Fatores que afetam o crescimento Fatores químicos: O2: Aeróbicos obrigatórios Anaeróbicos obrigatórios Anaeróbicos facultativos Microaerófilos Aerotolerantes Importância: Respiração e produção de energia Reações de óxido-redução Atividade enzimática

aeróbios anaeróbios anaeróbios microaerófilos anaeróbios obrigatórios obrigatórios facultativos aerotolerantes

Fatores que afetam o crescimento Fatores físicos: Temperatura: Psicrófilos: - 5 C a 20 C Mesófilos: 20 C a 50 C Termófilos: 50 C a 80 C Termófilos extremos: acima de 80 C Importância: Altera as respostas enzimáticas Altera as respostas a choques térmicos Influencia na razão de crescimento

Chlamydomonas nivalis

Fatores que afetam o crescimento Estratégias de adaptação às altas temperaturas membranas ácidos graxos diferenciados: Archaea não tem ácidos graxos nas membranas (têm hidrocarbonetos C40 com unidades de isopropeno) monocamada lipídica

Bicamada lipídica Monocamada lipídica

Fatores que afetam o crescimento Estratégias de adaptação às altas temperaturas proteínas tipo de aminoácido: conferem conformação distinta (Glu, Lys, Arg) velocidade de renovação das células Taq polimerase (Thermus aquaticus) ácidos nucléicos maior concentração de C≡G

Fatores que afetam o crescimento Fatores físicos: Pressão osmótica (NaCl): Halotolerantes Halófilos Halófilos extremos Pressão hidrostática Barotolerantes Barófilos

Halofílicas extremas Habitat de Archaea: Great Salt Lake (2460 km2, Utah, EUA

Halofílicas extremas Evaporadores na Baía de São Francisco, Califórnia, EUA

Fatores que afetam o crescimento Fatores biológicos: Fauna e o substrato Processos de ingestão Ciclagem de nutrientes Composição da comunidade Interações microbianas Neutralismo Comensalismo Sinergismo Mutualismo Biodisponibilidade Adsorção Solubilidade Especiação química Competição Amensalismo/Antagonismo Parasitismo Predação