Produção de energia e biossíntese

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Objetivos Catabolismo = quebra da estrutura das moléculas Anabolismo = reconstrução das estruturas moleculares Reações exergônicas – liberam E Reações endergônicas – requerem E Composto de transferência de E mais importante (ATP) Fosforilação em nível de substrato, fosforilação oxidativa e

fotofosforilação Processo de força próton-motiva Quimiotrofia e fototrofia Glicólise Respiração e fermentação Biossíntese de moléculas e compostos

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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 = = exergônicasexergônicas• aquelas que utilizam aquelas que utilizam EE = = endergônicasendergônicas• EE = capacidade de realizar = capacidade de realizar trabalhotrabalho

químicaquímica

luminosaluminosa

E

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Requerimentos de energia:

2. Produção de Energia (E)

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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

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Tipos de energia

Energia química – energia contida em ligações químicas das moléculas

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

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Quimiotróficos(utilizam substâncias

químicas como fonte de energia)

QuimiolitotróficosC= CO2

QuimiorganotróficosC=orgânico

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

7

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

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

Tipo fisiológico Fonte de Energia Fonte de Carbono

Foto Luz

Quimio Química

Autotrófico/organotrófico Moléculas orgânicas

Heterotrófico/litotrófico Moléculas inorgânicas

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3. Principais fontes de energia

Quimiorganotróficos substâncias orgânicas:

Lactococcus lactis + glicose ácido lático + energia

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3. Principais fontes de energia

Fototróficos Luz:

Anabaena cylindrica + Luz energia + compostos

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Compostos de armazenamento e transferência de energia

ATP = adenosina trifosfato

ADP = adenosina difosfato

Fosfoenolpiruvato

Glicose-6-fosfato

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Armazenamento de energia

(Madigan et al., 2004)

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

Reações exergônicas Reações endergônicas

acoplamento

- ΔGº'

ATP

+ ΔGº'

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∆G = +

∆G = -

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Fosforilação em nível de substrato

Fosforilação oxidativa

Fotofosforilação

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

Fosforilação = adição de um grupo fosfato a um composto

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(Madigan et al., 2004)

Ligações de fosfato de alta energia e essa energia é transferida diretamenteao ADP para produzir ATP

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Fosforilação em nível de substrato

Glicose acido 2-fosfoglicérico acido fosfoenolpirúvico acido pirúvico18

Fosforilação em nível de substrato

Fosforilação oxidativa

Fotofosforilação

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

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• Todas as reações de oxidação liberam energia (sistema de transporte de elétrons)

• A energia é armazenada temporariamente em força proton-motiva

• A força proton-motiva fornece energia para a síntese de ATP a partir do ADP

Oxidação = perda de e- (liberam energia)

Redução = ganho de e- (requerem energia)

Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa

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Oxidação: perda de H

H H+ + e-

Fe++ Fe+++ + e-

COOH-CH2-CH2-COOH COOH-CH=CH-COOH + 2H

STE (sistema de transporte de elétrons: série de reações integradas)

energia liberada mais eficientemente

• sistema O/R:

doador (O/R)1 (O/R)2 (O/R)3 (O/R)4 aceptor nutriente composto oxidado

Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa

21

Fosforilação oxidativa

(Madigan et al., 2004)

Sistema de transporte de elétrons:

Procarióticos = membrana citoplasmática

Eucarióticos = membrana interna da mitocôndria

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Exterior da célula

Citoplasma

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25

26

Fosforilação em nível de substrato

Fosforilação oxidativa

Fotofosforilação

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

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Luz como fonte de energiaLuz produz força proton-motivaForça proton-motiva promove síntese de ATP

Onde faz e quem faz:Cianobactérias, algas, plantas verdesNos tilacóides no citoplasma ou nos cloroplastos,

devido a presença de clorofila

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

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Como faz:Além de fotofosforilação também fixam CO2

Este processo requer 2 componentes:○ ADP (fonte de energia)

○ NADPH2 (doador de e- para a fixação do CO2)

Depende da atividade de 2 estruturas:○ Fotossistema I (PS I)○ Fotossistema II (PS II)

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

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Fotofosforilação

Organização do complexos protéicos na membrana fotossintética de uma bactéria púrpura fototrófica. Ogradiente de prótons gerado pela luz é utilizado na síntese de ATP, catalisada pela ATP sintase (ATPase).

(Madigan et al., 2004)

CL = clorofilaCR = centros de reacaoBph = bacteriofeofitinaQ = quinonaFe-S = proteina Fe-Sbc1 = complexo citocromo bc1C2 = citocromo c2

30

Fotofosforilação

31

5. Vias metabólicas de produção de energia

Vias catabólicasGlicóliseRegeneração do NAD+

○ Fermentação○ Respiração:

aeróbiaanaeróbia

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Glicólise

Degradação anaeróbica da glicose a ácido pirúvico por uma

sequência de reações catalizadas enzimaticamente (também

chamada de via Embden-Meyerhoff )

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34

Regeneração do NAD

Através de 2 métodosFermentaçãoRespiração:

aeróbicaanaeróbica

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Fermentação

Ausência de O2

Reações de oxidação e redução de um composto orgânico

Baixo potencial de energia (processo pouco eficiente)

Oxidação acoplada à redução de composto orgânico originado a partir do substrato inicial

Ocorre fosforilação em nível de substrato Ocorre no citosol

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Este é o processo básico na industria de produção de bebidas alcoólicas37

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

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Respiração

Processo de regeneração do NAD onde o NADH2 é o doador de e- para o sistema de transporte de e-

Se o O2 é o aceptor final de e-, então respiração aeróbica

Se outra molécula (NO3-, SO4

--) for o aceptor final de e-, então respiração anaeróbica

Vantagem sobre a fermentação: além da regeneração de NAD há produção de forca proton-motiva para síntese adicional de ATP

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5. Respiração aeróbica

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Produção de ATP em crescimento aeróbico na presença da glicose

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Respiração anaeróbia

aceptor final de elétrons diferente do O2

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

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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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Utilização de energia

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Biossíntese de compostos nitrogenados

N2 N inorgânico (NH3+)

Aminoácidos

Arranjo de aminoácidos

Proteínas/enzimas Purinas e pirimidinas

Nucleotídeos

Ácidos nucléicos (DNA, RNA)46

Biossíntese de aa e proteínas

Ativação química dos aminoácidos via junção com ATP (gera AMP + pirofosfato)

Inibição por feedback

Proteínas sintetizadas através do código genético

Síntese de RNA é pré-requisito para a síntese de proteínas

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Fornecimento de precursores de aminoácidos

(Madigan et al., 2004)48

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

49

(Madigan et al., 2004)

Biossíntese de nucleotídeos e ácidos nucléicos

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Biossíntese de carboidratos

Triose

Pentoses e hexoses

Nucleotídeos Polissacarídeos(peptidoglicano,

celulose, amido, etc.)

CO2

RNA e DNA

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Biossíntese de carboidratos

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Biossíntese de ácidos graxos

Ácido pirúvico

Acetil coA e Malonil coA

Ácidos graxos de cadeia longa

Glicose

Fosfolipídios

Glicólise

Glicerol fosfato

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Outras utilizações de energia

Transporte

Motilidade

Reparos

Produção de estruturas de resistência (endosporos)

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