5117_Metabolismo microbiano

Metabolismo Microbiano

1. Conceitos básicos2. Classes microbianas 3. Quimiotrofia 4. Fototrofia5. Quimiolitotróficos 6. Integração metabólica

Produção de Energia e Biossíntese

Pelczar, Caps. 11 e 12, páginas 290 - 330

1. Introdução

Metabolismo:

• toda a atividade química realizada por toda a atividade química realizada por um organismo e seu maquinário.um organismo e seu maquinário.

São de 2 tipos:São de 2 tipos:

• aquelas que liberam aquelas que liberam EE = exergônicas - = exergônicas - catabólicascatabólicas• aquelas que utilizam aquelas que utilizam EE = endergônicas - = endergônicas - anabólicasanabólicas• EE = capacidade de realizar = capacidade de realizar

trabalhotrabalho

químicaquímica

luminosaluminosa

E

Requerimentos de energia:

2. Produção de Energia (E)

Sistema dearmazenamentoe transferência

de E

Componentes celularescomo proteínas (enzimas),DNA, RNA, carboidratos,

lipídeos, etc.

Produtos da degradaçãoservem como unidades

para a produção decompostos celulares

Síntese

Compostos e estruturas

Degradação

Quebra desubstratos ou

nutrientes

E liberadaE requerida

Crescimento celular,reprodução, manutençãoe movimento

Tipos de energia

Energia química – energia contida em ligações químicas das moléculas

Energia radiante (energia da luz) – deve ser convertida em energia química

Quimiotróficos(utilizam substâncias

químicas como fonte de energia)

QuimiolitotróficosC= CO2

QuimiorganotróficosC=orgânico

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

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

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

Tipo fisiológico Fonte de Energia Fonte de Carbono

Foto Luz

Quimio Química

Organotrófico/heterotrófico Moléculas orgânicas

Autotrófico/litotrófico Moléculas inorgânicas

Fotoautotrófico = plantas, cianobactérias, algas verdesFotoorganotrófico/hetero = bactérias púrpuras, exceto as abaixoFotolitotróficas = bactérias púrpuras metabolizantes do S

Quimioautotrófico = Archaea metanogênicasQuimiorganotrófico/hetero = maioria bactérias e fungosQuimiolitotrófico = bactérias nitrificadoras

Enzimas

• Catalisadores das reações• Aumentam as velocidades de reação de 108 a 1020 vezes• Tem sítios ativos de ligação do substrato• Podem conter outras moléculas acopladas

• Grupos prostéticos – grupo heme dos citocromos é um exemplo• Coenzimas – derivadas de vitaminas (NAD+/NADH)

• Terminação ase ao seu substrato• Celulase: degradam celulose• Glicose-oxidase: catalisa a oxidação da glicose• Ribonuclease: decompõe acido ribonucleico• Lisozima: cliva o peptideoglicano

Catalise e enzimas

Reação exergônica

COMPLEXO ENZIMA-SUBSTRATO

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, NADPHAcetil CoA, NAD, NADH, NADPH

Armazenamento de energia

(Madigan et al., 2010)

Ligacoes tioéster

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

Compostos ricos em energia: armazenamento e transferência de

energia (a longo prazo) Procariotos:

GlicogenioPoli-β-hidroxibutiratoPoli-idroxialcanoatosS (elementar)

EucariotosPoliglicose na forma de amidoLipídeos na forma de gorduras

Fermentação

Respiração

4. Geração de ATP por 4. Geração de ATP por microrganismosmicrorganismos

Síntese de ATP acopladaa reações de óxido-redução

Ausência de aceptoresexógenos de elétrons

O2 ou outro composto como aceptor exógeno de elétrons

Menos E

Mais E

Oxidação = perda de e- (liberam energia)

Redução = ganho de e- (requerem energia)

As reações de oxi-redução (redox)

-Um composto se torna oxidado quando:

1. Perde elétrons2. Se liga a um átomo mais eletronegativo 3. Isto geralmente ocorre quando se liga ao oxigênio

- Um composto se torna reduzido quando:

1. Ganha elétrons2. Se liga a um átomo menos eletronegativo 3. 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.

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 oxigêniob) 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:

1) Piruvato (glicólise quando o substrato é a glicose)2) Ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs)3) Cadeia respiratória

Características:

1. Oxidação parcial da glicose a piruvato

2. Pequena quantidade de ATP é gerada

(produção líquida de 2 ATP)

3. Pequena quantidade de NAD é

reduzida a NADH

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.

Produção direta de 1 GTPguanosina 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

2ª etapa: Ciclo de KrebsOcorre no citoplasma (procariotos) e nas mitocôndrias (eucariotos).

Reações preparatórias: formação de composto chave do processo

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.

Geração da força protomotiva

Fosforilação oxidativa

As 3 etapas da via respiratória

Síntese 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.

• 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

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.

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

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

Produtos da fermentação

FototropiaA utilização da energia da luz - Fotossíntese

a) Fotossíntese oxigênica

Presente nas cianobactérias e nos cloroplastos dos

eucariontes (algas por ex.)

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

CianobactériasFotossistemas em lamelas

Fotossíntese oxigênica

Cianobactérias

O NADPH é utilizado para reduzir o CO2 no processo de fixação do carbono

FotofosforilaçãoA energia da luz é utilizada para a síntese de ATP

b) Fotossíntese anoxigênica Doadores de elétrons variam:

H2S or So nas bactérias verdes e púrpuras sulfurosas

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

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

N2 N inorgânico (NH3+)

Aminoácidos

Arranjo de aminoácidos

Proteínas/enzimas Purinas e pirimidinas

Nucleotídeos

Ácidos nucléicos (DNA, RNA)

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

(Madigan et al., 2004)

Biossíntese de nucleotídeos e ácidos nucléicos

Biossíntese de carboidratos

Triose

Pentoses e hexoses

Nucleotídeos Polissacarídeos(peptidoglicano,

celulose, amido, etc.)

CO2

RNA e DNA

Biossíntese de ácidos graxos

Ácido pirúvico

Acetil CoA e Malonil CoA

Ácidos graxos de cadeia longa

Glicose

Fosfolipídios

Glicólise

Glicerol fosfato

Outras utilizações de energia

Transporte

Motilidade

Reparos

Produção de estruturas de resistência (endosporos)