Metabolismo Microbiano

Apresentação em tema: "Metabolismo Microbiano"— Transcrição da apresentação:

1 Metabolismo Microbiano
Produção de Energia e Biossíntese Brock, Caps. 05 e 06 Conceitos básicos Classes microbianas Quimiotrofia Fototrofia Quimiolitotróficos Integração metabólica

2 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 - catabólicas aquelas que utilizam E = endergônicas - anabólicas E = capacidade de realizar trabalho química luminosa E

3 ∆G = + ∆G = - Catabólica Anabólica

4 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 Acumulo de nutrientes e excreção de produtos indesejáveis Mobilidade

5 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

6 Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte de energia e carbono
CO2, HCO3, CO32- Fauna, fungos, maioria das bactérias CO2, HCO3, CO32- Extraída de: Moreira & Siqueira, 2006

7 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

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

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

10 Compostos ricos em energia: armazenamento e transferência de energia (a longo prazo)
Procariotos: Glicogenio Poli-β-hidroxibutirato Poli-idroxialcanoatos S (elementar) Eucariotos Poliglicose na forma de amido Lipídeos na forma de gorduras

11 Geração de ATP por microrganismos
Ausência de aceptores exógenos de elétrons O2 ou outro composto como aceptor exógeno de elétrons Menos E Mais E Fermentação Respiração Síntese de ATP acoplada a reações de óxido-redução Oxidação = perda de e- (liberam energia) Redução = ganho de e- (requerem energia)

12 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 a 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

13 1ª 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 (produção líquida de 2 ATP) Pequena quantidade de NAD é reduzida a NADH

14 2ª 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

15 3ª etapa: Cadeia respiratória (sistema de transporte de elétrons)
Ocorre ao nível da membrana das mitocôndrias (eucariotos) e na membrana citoplasmática (procariotos) 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.

16 Fosforilação oxidativa
Exterior da célula Citoplasma

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18 As 3 etapas da via respiratória

19 Síntese da respiração aeróbia
Produção de ATP: Na cadeia respiratória: 4 NADH formados na glicólise geram ATP 6 NADH formados no ciclo de Krebs geram ATP 2 FADH formados no ciclo de Krebs geram ATP Formação direta na Glicólise ATP Formação direta no Ciclo de Krebs GTP Total de até ATP

20 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. Oxidação de substratos orgânicos ou inorgânicos: C6H12O NO3-  6CO2 + 6H2O + 12NO2- 2 lactato + SO4= + 4H+  2 acetato + 2CO2 + S= + H2O Quantidade de energia produzida é menor

21 2. Fermentação (também é uma forma de respiração anaeróbia
2. Fermentação (também é uma forma de respiração anaeróbia. Ocorre no citossol) Reação de oxidação-redução internamente balanceada. Ausência de aceptores externos. A concentração de NAD+ nas células é baixo, precisando ser re-oxidado para não cessar a via glicolítica. A redução do piruvato a etanol ou outros produtos restabelece o NAD e permite a continuidade da glicólise . Produção líquida de apenas 2 ATP.

22 Este é o processo básico na indústria de produção de bebidas alcoólicas

23 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

24 Fermentações

25 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.

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27 Utilização de energia

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29 Nutrição e Crescimento Microbiano
Nutrição microbiana Componentes necessários às células Meios de cultura Condições ambientais Crescimento populacional Velocidade de crescimento Tempo de geração Medidas do crescimento

30 Necessidade de elementos nutricionais
Macronutrientes: - Necessários em grande quantidade (C, N, H, O, S, P) - Tem papel importante na estrutura e metabolismo. Micronutrientes: - Necessários em quantidades mínimas (B, Co, Cr, Cu, F, I, Mn, Mo, Se, Zn) - Funções enzimáticas e estruturais das biomoléculas célula

31 Componentes necessários às células Macronutrientes
Fonte de carbono: - Compostos orgânicos (microrganismos heterotróficos): carboidratos lipídeos proteínas - Dióxido de carbono (microrganismos autotróficos): É a forma mais oxidada do carbono, assim a fonte de energia deve vir da luz ou de outros compostos inorgânicos. Fonte de Nitrogênio: - É elemento necessário em maior quantidade depois do carbono, cerca de 12 %. (constituinte das proteínas, ácidos nucléicos, etc.) moléculas orgânicas (aminoácidos, peptídeos) moléculas inorgânicas (NH3, NO3-, N2) A capacidade de algumas bactérias em utilizar o nitrogênio atmosférico (FBN) é de fundamental importância para a vida de todos os seres.

32 Componentes necessários às células
Hidrogênio: Principal elemento dos compostos orgânicos e de diversos inorgânicos (água, sais e gases) Função: Manutenção do pH Formação de ligações de H entre moléculas Fonte de energia nas reações de oxi-redução na respiração Oxigênio: - Elemento comum encontrado nas moléculas biológicas (aminoácidos, nucleotídeos, glicerídeos) - É obtido a partir das proteínas e gorduras. Na forma de oxigênio molecular (O2), é requerido por muitos para os processos de geração de energia.

33 Componentes necessários às células
Outros macronutrientes: P – Síntese de ácidos nucléicos, ATP S – Estabilidade de aminoácidos, componente de vitaminas K – Estabilidade dos ácidos nucléicos, bomba de Na/K Mg – Estabilidade dos ribossomos Ca – Estabilidade da parede celular e termoestabilidade de endósporos Na – Requerido em maior quantidade por microrganismos marinhos Bactérias halofílicas extremas não crescem com menos de 15 % de sal. Fe – Papel-chave na respiração, componente dos citocromos e das proteínas envolvidas no transporte de elétrons.

34 Componentes necessários às células Micronutrientes
Metais em quantidades muito pequenas (traços): Zn, Cu, Mn, Co, Mo e B ► Exercem função estrutural em várias enzimas (ativação) Ex: Mo+6 é necessário para a nitrogenase, a enzima que converte o N2 para NH3 durante a FBN.

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

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37 Crescimento microbiano
Expressão matemática do crescimento progressão geométrica de quociente 2: X 2º n

38 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: 6-20 min

39 5 x 107

40 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

41 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

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

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

44 Medidas do crescimento
Contagem dos viáveis Superfície Pour plate

45 Contagem dos viáveis utilizando a
técnica das diluições em série

46 Medidas do crescimento
Medidas indiretas Turbidez

47 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

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

49 Vermiculita Rochas calcáricas

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

51 aeróbios anaeróbios anaeróbios microaerófilos anaeróbios
obrigatórios obrigatórios facultativos aerotolerantes

52 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

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54 Chlamydomonas nivalis

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58 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

59 Bicamada lipídica Monocamada lipídica

60 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

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

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

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

65 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