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Metabolismo microbiano
Produção de energia e biossíntese
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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.
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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
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(utilizam substâncias químicas
Fontes de energia Para a maioria dos microrganismos a energia é retirada de moléculas químicas (nutrientes) 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
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Luz energia Para outros a energia é proveniente da luz.
Anabaena cylindrica (cianobactéria) Luz energia
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Mais importante nos seres vivos
Compostos que armazenam energia O ACOPLAMENTO ENTRE A GERAÇÃO E A UTILIZAÇÃO DA ENERGIA É FEITO POR COMPOSTOS DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA Mais importante nos seres vivos
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Fluxo da energia A concentração de ATP na célula é baixa.
Numa célula em plena atividade chega a 2 mM Até 45% Fosforilação Em motores a explosão ou em turbinas o rendimento oscila em torno de 30%.
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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
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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 oxidados, enquanto outros mais reduzidos Oxidação: perda de elétrons Redução: ganho de elétrons
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Fosforilação em nível de substrato
NAD NADH2: nicotinamida-adenina dinucleotídeo Função: transportador de hidrogênio
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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 um sistema de transporte de elétrons (série de reações integradas) ► a energia é liberada aos poucos e mais eficientemente (até 45 %)
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Fosforilação oxidativa
Sistema O/R: próximo membro do sistema tem maior capacidade para receber elétrons
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Peter Mitchell, 1978- Prêmio Nobel
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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
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Vias de degradação de nutrientes para produção de 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
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Transportadores 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+ e NADP+ NAD+ + 2 e- + 2 H+ → NADH + H bom doador Associados à membrana: Flavoproteínas FMN/FAD Proteínas com Fe e S Quinonas
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Principais vias de degradação de nutrientes para produção de energia
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Glicólise Aspecto importante da via:
As células possuem quantidade limitada de NAD Para a continuidade da glicólise é necessário uma forma para sua regeneração
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Regeneração do NAD Os seres vivos usam dois métodos para regenerar o NAD a partir do NADH: 1. Fermentação: - O NAD é regenerado utilizando um aceptor produzido pela própria célula 2. Respiração (aeróbia e anaeróbia): - O NADH doa elétrons para o sistema de transporte de elétrons para regenerar o NAD. - Resulta também na geração da força protomotiva e produção de mais ATP - O aceptor final de elétrons é externo
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Síntese da Fermentação:
Lactobacilos Enterobactérias Síntese da Fermentação: ausência de aceptores externos de elétrons reações balanceadas internamente (fosforilação em nível de substrato) Pouca eficiência na produção de energia Maior parte da energia retida no produto final Leveduras
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Respiração A degradação da glicose pelos microrganismos aeróbios não para com a produção de ácido pirúvico. Ela prossegue com uma série de reações conhecida como ciclo de Krebs (ciclo do ácido cítrico) Cada molécula de NADH pode doar elétrons para o sistema de transporte para geração da força protomotiva e produção de ATP.
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Respiração aeróbia reações de oxidação e redução em presença de um aceptor de elétrons externo - o O2 A molécula inteira do substrato é oxidada alto potencial de energia grande quantidade de ATP é gerada: 38 ATPs
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Respiração anaeróbia Aceptor final de elétrons diferente do O2
C6H12O 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.
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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.
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Utilização da energia
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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.
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Fornecimento de precursores para biossíntese aminoácidos
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Aminoácidos
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Ácidos graxos Ácidos nucléicos biossíntese de lipídeos
ATP ATP GTP ATP Energia fornecida pelo NADPH
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Biossíntese de polímeros
Polissacarídeos são sintetizados a partir de hexoses como o UDP-Glicose (ex: peptidoglicano) A ativação do monossacarídeo utiliza energia do ATP e UTP (uridina trifosfato) Além da biossíntese a célula bacteriana utiliza energia para operar os mecanismos de transporte que conduzem os nutrientes do ambiente para dentro da célula e a atividade do flagelo na motilidade celular.
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