Metabolismo microbiano

Produção de energia e biossíntese

Introdução

MetabolismoMetabolismo• grego: grego: metabolemetabole = mudança, transformação = mudança, transformação

• Toda a atividade química realizada pelos Toda a atividade química realizada pelos organismosorganismos

São de dois tipos gerais:São de dois tipos gerais:

- Aquelas que envolvem a liberação de energia: - Aquelas que envolvem a liberação de energia: CATABOLISMOCATABOLISMO - Aquelas envolvidas na utilização da energia: - Aquelas envolvidas na utilização da energia: ANABOLISMOANABOLISMO

Muitos dos mecanismos metabólicos microbianos são Muitos dos mecanismos metabólicos microbianos são também utilizados pelos macro organismos, inclusive o também utilizados pelos macro organismos, inclusive o homem.homem.

Requerimentos de energia:Requerimentos de energia: Síntese dos componentes celulares: parede, membrana, Síntese dos componentes celulares: parede, membrana,

etc.etc. síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, etc.síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, etc. reparos e manutenção da célulareparos e manutenção da célula crescimento e multiplicaçãocrescimento e multiplicação acumulação de nutrientes e excreção de produtos acumulação de nutrientes e excreção de produtos

indesejáveisindesejáveis motilidademotilidade

Fontes de energiaFontes de energiaPPara a maioria dos microrganismos a energia é retirada de moléculas químicas (nutrientes)

QUIMIOTRÓFICOS(utilizam substâncias químicas

como fonte de energia)

QUIMIOLITOTRÓFICOSC= CO2

QUIMIORGANOTRÓFICOSC=orgânico

Nitrosomonas europaea:Nitrosomonas europaea:amônia amônia nitrito + energianitrito + energia

Streptococcus lactis:Streptococcus lactis: glicose glicose ácido lático + energiaácido lático + energia

Para outros a energia é proveniente da luz.

Anabaena cylindrica Anabaena cylindrica (cianobactéria)(cianobactéria)LuzLuz energiaenergia

Compostos que armazenam energiaO ACOPLAMENTO ENTRE A GERAÇÃO E A UTILIZAÇÃO DA ENERGIA É FEITO POR

COMPOSTOS DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA

Mais importante nos seres vivos

Fluxo da energia

A concentração de ATP na célula é baixa.Numa célula em plena atividade chega a 2 mM

Em motores a explosão ou em turbinas o rendimento oscila em torno de 30%.

Até 45%

Fosforilação

Produção de ATP pelos microrganismos

Mecanismos:

a. Fosforilação em nível de substratoa. Fosforilação em nível de substrato: : O grupo fosfato de um composto químico é removido e O grupo fosfato de um composto químico é removido e adicionado diretamente ao ADPadicionado diretamente ao ADP

b. Fosforilação oxidativab. Fosforilação oxidativa

c. Fotofosforilaçãoc. Fotofosforilação

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 elétronsRedução: ganho de elétrons

Fosforilação em nível de substrato

NAD NADH2: nicotinamida-adenina dinucleotídeo Função: transportador de hidrogênio

A energia liberada pela oxidação de compostos químicos é utilizada na síntese de A energia liberada pela oxidação de compostos químicos é utilizada na síntese de ATPATP

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 %)

b. Fosforilação oxidativab. Fosforilação oxidativa

Fosforilação oxidativa

Sistema O/R: próximo membro do sistema tem maior capacidade para receber elétrons

Peter Mitchell, 1978- Prêmio Nobel

3. Fotofosforilação:

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

A energia da luz é utilizada para a síntese de ATPA energia da luz é utilizada para a síntese de ATP

Vias de degradação de nutrientes para produção de Vias de degradação de nutrientes para produção de energiaenergia

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

Transportadores de elétronsNuma 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 + Hbom doador

- Associados à membrana:Flavoproteínas FMN/FADProteínas com Fe e SQuinonas

Principais vias de degradação de nutrientes para produção Principais vias de degradação de nutrientes para produção de energiade energia

Glicólise

Aspecto importante da via:

• As células possuem quantidade limitada de NAD

• Para a continuidade da glicólise é necessário uma forma para sua regeneração

Regeneração do NADRegeneração do NAD

Os seres vivos usam dois métodos para regenerar o NAD a partir do NADH:

1. Fermentação:1. Fermentação:- - O NAD é regenerado utilizando um aceptor produzido pela própria célula

2.2. Respiração (aeróbia e anaeróbia):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

Lactobacilos

Leveduras

EnterobactériasSíntese 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

Respiração

A degradação da glicose pelos microrganismos aeróbios não para com a produção de ácido pirúvico.

Ela prossegue com uma série de reações conhecida comociclo 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.

Respiração aeróbiaRespiração aeróbia reações de oxidação e redução em presença de um reações de oxidação e redução em presença de um

aceptor de elétrons externo - o Oaceptor de elétrons externo - o O22

A molécula inteira do substrato é oxidadaA molécula inteira do substrato é oxidada alto potencial de energiaalto potencial de energia grande quantidade de ATP é gerada: 38 ATPsgrande quantidade de ATP é gerada: 38 ATPs

Respiração anaeróbiaRespiração anaeróbia

Aceptor final de elétrons diferente do O2

C6H12O6 + 12 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.

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.

Utilização da energia

Generalidades sobre as vias biossintéticas:Generalidades sobre as vias biossintéticas:

1)1) As vias começam com a síntese das unidades estruturais As vias começam com a síntese das unidades estruturais simplessimples

2)2) As unidades estruturais são ativadas com a energia de As unidades estruturais são ativadas com a energia de moléculas como omoléculas como o ATP, GTP, NADH, NADPH ATP, GTP, NADH, NADPH

3)3) As unidades estruturais são unidas para formar substâncias As unidades estruturais são unidas para formar substâncias complexas da célula.complexas da célula.

Fornecimento de precursores para biossíntese aminoácidos

AminoácidosAminoácidos

Ácidos nucléicos

Energia fornecida pelo NADPH

Ácidos graxosbiossíntese de lipídeos

ATP

ATP

ATPGTP

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.