A CÉLULA

Prof. Dr. João Batista de Almeida e Silvajoaobatista@debiq.eel.usp.brjoaobatista@pq.cnpq.br

ORGANISMOS CELULARESORGANISMOS CELULARES

EUCARIÓTICOSEUCARIÓTICOSPROCARIÓTICOSPROCARIÓTICOSMonera Monera ou bacteriasou bacterias

MULTICELULARMULTICELULAR UNICELULARUNICELULARProtista Protista ou protozoaou protozoae algas unicelularese algas unicelulares

FOTOSSINTÉTICOSFOTOSSINTÉTICOSPlantae Plantae ou plantasou plantas

ABSORTIVOSABSORTIVOSFungi Fungi ou fungosou fungos

INGESTIVOSINGESTIVOSAnimalia Animalia ou animaisou animais

CLASSIFICAÇÃO DOS ORGANISMOS CELULARESCLASSIFICAÇÃO DOS ORGANISMOS CELULARES

FOTOSSINTÉTICOSFOTOSSINTÉTICOS

• captam a luz para converter captam a luz para converter COCO22 e H e H220 em O0 em O22 e açúcares e açúcares

6H2O + 6CO2 → 6O2 +C6H12O6

ABSORTIVOSABSORTIVOSABSORTIVOS: captam nutrientes químicos dissolvidos em ABSORTIVOS: captam nutrientes químicos dissolvidos em solução aquosa (fungos e leveduras)solução aquosa (fungos e leveduras)

INGESTIVOSINGESTIVOS

• – INGESTIVOS: captam partículas não dissolvidas INGESTIVOS: captam partículas não dissolvidas

(animais)(animais)

PROCARIÓTICOSPROCARIÓTICOS

• BACTÉRIAS:BACTÉRIAS:

UNICELULARESUNICELULARES

ProtistasProtistas

AlgasAlgas

SUBSTRATOSSUBSTRATOS– Monossacarídeos (glicose, frutose, galactose, manose, ribose, xilose, arabinose)Monossacarídeos (glicose, frutose, galactose, manose, ribose, xilose, arabinose)– Dissacarídeos:Dissacarídeos:– Sacarose (glicose + frutose)Sacarose (glicose + frutose)– Lactose (galactose + glicose)Lactose (galactose + glicose)– Maltose (glicose + glicose)Maltose (glicose + glicose)– Trissacarídeos:Trissacarídeos:– Rafinose (glicose + frutose + galactose)Rafinose (glicose + frutose + galactose)– Maltotriose (glicose + glicose + glicose)Maltotriose (glicose + glicose + glicose)– Polímeros de alto peso molecular:Polímeros de alto peso molecular:– Amido (amilose + amilopectina)Amido (amilose + amilopectina)– Amilose: cadeia linear de glicose ligações alfa 1-4Amilose: cadeia linear de glicose ligações alfa 1-4– Amilopectina: cadeia ramificada com ligações alfa 1-4 e alfa 1-6Amilopectina: cadeia ramificada com ligações alfa 1-4 e alfa 1-6– Celulose: polímero de glicose em ligações beta 1-4Celulose: polímero de glicose em ligações beta 1-4– Glicogênio: polímero de glicose com ligações alfa 1-4 e alfa 1-6Glicogênio: polímero de glicose com ligações alfa 1-4 e alfa 1-6– Pectina: polímero de ácidos galacturônico, raminose, arabinose e galactosePectina: polímero de ácidos galacturônico, raminose, arabinose e galactose

1.1. Trabalho químico: biosintese de proteínas, ácidos nucleicos, lipídeos, polissacarídeos e outros Trabalho químico: biosintese de proteínas, ácidos nucleicos, lipídeos, polissacarídeos e outros componentes celulares componentes celulares

2.2. Trabalho osmótico: transporte de substâncias nutritivas atravéz da membranaTrabalho osmótico: transporte de substâncias nutritivas atravéz da membrana3.3. Trabalho mecânico: contração e locomoção.Trabalho mecânico: contração e locomoção.

CATABOLISMO (fase de degradação do metabolismo)CATABOLISMO (fase de degradação do metabolismo)Carboidratos, lipídeos, proteínas são degradadas aos produtos finais liberando energia (ATP)Carboidratos, lipídeos, proteínas são degradadas aos produtos finais liberando energia (ATP)

ANABOLISMO (fase de construção do metabolismo)ANABOLISMO (fase de construção do metabolismo)Pequenas moléculas formam polissacarídeos, lipídeos e proteínas necessitando de energia (ATP) Pequenas moléculas formam polissacarídeos, lipídeos e proteínas necessitando de energia (ATP)

Fontes de Carbono Fontes de Carbono Utilizadas pelos MOsUtilizadas pelos MOs

MetabolisMetabolismomo

Primário Primário

e e

SecundárioSecundário

Metabólitos secundários tem sua origem Metabólitos secundários tem sua origem como derivados de diferentes intermediários como derivados de diferentes intermediários no metabolismo primáriono metabolismo primário

Metabolismo primárioMetabolismo primário x Metabolismo x Metabolismo secundáriosecundário

•Solução geral para problemaSolução geral para problema biológicobiológico

•Importante para crescimentoImportante para crescimento

•Papel fisiológico conhecidoPapel fisiológico conhecido

•Presente durante todo ciclo de vidaPresente durante todo ciclo de vida

•Presente sob várias condições Presente sob várias condições de crescimentode crescimento

•Ocorre com todos organismosOcorre com todos organismos

•Formação de produto definidoFormação de produto definido

•Diversos produtos de constituiçãoDiversos produtos de constituição química simplesquímica simples

•Solução específica para Solução específica para problemaproblema biológicobiológico

•Desnecessário para o Desnecessário para o crescimentocrescimento

•Papel fisiol.- difícil Papel fisiol.- difícil conhecimentoconhecimento

Presente apenas em parte Presente apenas em parte do do ciclo da vidaciclo da vida•Aparecimento depende Aparecimento depende muito das muito das condições de crescimentocondições de crescimento

•Não ocorre com todos Não ocorre com todos organismosorganismos

•Forma famílias de produtosForma famílias de produtos relacionadosrelacionados

•Produtos de constituição Produtos de constituição complexacomplexa

CARACTERÍSTICAS DO MOCARACTERÍSTICAS DO MO

- Apresentar alta eficiência de conversão;Apresentar alta eficiência de conversão;- Permitir elevado acúmulo de produto no Permitir elevado acúmulo de produto no

meio de cultivo;meio de cultivo;- Não produzir substâncias incompatíveis Não produzir substâncias incompatíveis

com o produto;com o produto;- Não ser patogênico;Não ser patogênico;- Não exigir condições de cultivo muito Não exigir condições de cultivo muito

complexas (pH, Temperatura)complexas (pH, Temperatura)- Não exigir meios de cultura muito Não exigir meios de cultura muito

dispendioso;dispendioso;- Permitir liberação rápida do produto no Permitir liberação rápida do produto no

meio.meio.

CARACTERÍSTICAS DO MEIO CARACTERÍSTICAS DO MEIO DE CULTURADE CULTURA

- Ser o mais barato possível;Ser o mais barato possível;- Atender as necessidades nutricionais do Atender as necessidades nutricionais do

microrganismo;microrganismo;- Facilitar o controle do processo (pH, Facilitar o controle do processo (pH,

espuma);espuma);- Facilitar na recuperação do produto;Facilitar na recuperação do produto;- Estabilidade no armazenamento;Estabilidade no armazenamento;- Não causar dificuldades no tratamento Não causar dificuldades no tratamento

final dos efluentes.final dos efluentes.

ESTEQUIOMETRIA E ESTEQUIOMETRIA E CINÉTICA DE REAÇÃOCINÉTICA DE REAÇÃO

- Facilitam a avaliação dos rendimentos de Facilitam a avaliação dos rendimentos de substratos em células e produtos;substratos em células e produtos;

- As velocidades de consumo de substrato As velocidades de consumo de substrato e de formação de produtos dependem do e de formação de produtos dependem do microrganismo e das condições de microrganismo e das condições de cultivo;cultivo;

- A forma de condução do processo é de A forma de condução do processo é de extrema importância para atingir extrema importância para atingir resultados que possam ser transferidos resultados que possam ser transferidos para a escala industrial;para a escala industrial;

- Estabelecimentos de modelos Estabelecimentos de modelos matemáticos com base na cinética do matemáticos com base na cinética do processo são utilizados para este processo são utilizados para este escalonamento.escalonamento.

CÉLULACÉLULA

• EQUAÇÃO DO CRESCIMENTO MICROBIANOEQUAÇÃO DO CRESCIMENTO MICROBIANO

– FORMA ELEMENTAR MÉDIAFORMA ELEMENTAR MÉDIACHCH1,81,8OO 0,5 0,5NN0,20,2

– Considerando enxofre e fósforo:Considerando enxofre e fósforo:CHCH1,81,8OO0,50,5NN0,20,2SS0,00450,0045PP0,00550,0055

Espécie Composição Elementar Produto

Escherichia coli CH1,77O0,49N0,24 Gás e Ácidos

Klebsiella aerogenes CH1,73O0,43N0,24 Urease

Candida utilis CH1,87O0,56N0,20 Vitaminas e Aminoácidos

Saccharomyces cerevisiae CH1,70O0,46N0,17 Etanol

Aspergillus niger CH1,72O0,55N0,17 Celulases

Penicillium chrysogenum CH1,70O0,58N0,15 Penicilina

CÉLULACÉLULA• EQUAÇÃO MACROQUÍMICA DO CRESCIMENTO MICROBIANOEQUAÇÃO MACROQUÍMICA DO CRESCIMENTO MICROBIANO

CCWWHHXXOOYYNNZZ+aO+aO22+bH+bHggOOhhNNi i cCHcCHjjOOkkNN11+dCO+dCO22+eH+eH22O+fCO+fCmmHHppOOqqNNrr

Substrato: (CSubstrato: (CWWHHXXOOYYNNZZ) )

ArAr :: (aO (aO22))

Nitrogênio: (bHNitrogênio: (bHggOOhhNNii))

Exemplos de Equações MacroquímicasExemplos de Equações Macroquímicas

1.1. Saccharomyces cerevisiae em GlicoseSaccharomyces cerevisiae em Glicose

CC66HH1212OO66+3,918O+3,918O22+0,316 NH+0,316 NH3 3 1,929CH1,929CH1,7031,703OO0,4590,459NN0,1710,171+4,098CO+4,098CO22+4,813H+4,813H22OO

2. Penicillium chrysogenum em Glicose2. Penicillium chrysogenum em Glicose

CC66HH1212OO66+1,91O+1,91O22+0,6 NH+0,6 NH44OHOH 4CH4CH1,701,70OO0,580,58NN0,150,15+2CO+2CO22+4,1H+4,1H22OO

Biomassa (cCHcCHjjOOkkNN11))

Gás: dCOGás: dCO22

Água: eHeH22OO

Produto: fCfCmmHHppOOqqNNrr

ESTEQUIOMETRIAESTEQUIOMETRIA• Sendo o objetivo conhecer as relações estequiométricas, basta Sendo o objetivo conhecer as relações estequiométricas, basta

encontrar uma via para acertar a equação macroquímicaencontrar uma via para acertar a equação macroquímica

Carbono: w=c+d+fmCarbono: w=c+d+fmHidrogênio: x+bg=cj+2e+fpHidrogênio: x+bg=cj+2e+fpOxigênio: y+2a+bh=ck+2d+e+fgOxigênio: y+2a+bh=ck+2d+e+fgNitrogênio: z+bi=cl+frNitrogênio: z+bi=cl+fr

A composição da fonte de carbono, em principio é conhecida;A composição da fonte de carbono, em principio é conhecida;A composição da média da biomassa, também é conhecida;A composição da média da biomassa, também é conhecida;Portanto resultam: quatro equações Portanto resultam: quatro equações

seis incógnitasseis incógnitasComo prosseguir?Como prosseguir?Quando se pretende produzir biomassa o número de incógnitas se Quando se pretende produzir biomassa o número de incógnitas se

reduz a cinco;reduz a cinco;O quociente d/a=quociente respiratório é um dado experimental;O quociente d/a=quociente respiratório é um dado experimental;

Assim o sistema com quatro equações permite determinar os Assim o sistema com quatro equações permite determinar os coeficientes estequíométricos a, b, c, d, ecoeficientes estequíométricos a, b, c, d, e

ESTEQUIOMETRIAESTEQUIOMETRIA

• GRAU DE REDUÇÃO: número de moles de elétrons disponíveis GRAU DE REDUÇÃO: número de moles de elétrons disponíveis por átomo grama de carbono para serem transferidos para o por átomo grama de carbono para serem transferidos para o oxigêniooxigênio

Considera-se H, como unidade de potencial de redox;Considera-se H, como unidade de potencial de redox;(C, O, N, S, P) = (+4, -2, -3, 6, 5)(C, O, N, S, P) = (+4, -2, -3, 6, 5)Define-se um composto neutro para cada elemento:Define-se um composto neutro para cada elemento:Carbono: (COCarbono: (CO22))Oxigênio: (HOxigênio: (H22O)O)Nitrogênio:(NHNitrogênio:(NH33))Enxofre: HEnxofre: H22SOSO44

Fósforo: HFósforo: H33POPO44

O grau de redução da fonte de carbono da biomassa e do O grau de redução da fonte de carbono da biomassa e do produto pode ser calculado por:produto pode ser calculado por:

yyss=(4w+x-2y-3z)/w=(4w+x-2y-3z)/wyybb=4+j-2k-3l=4+j-2k-3lyypp=(4m+p-2q-3r)/m=(4m+p-2q-3r)/m