Prof.: Wendel Silveira Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte I
Ao final da aula, você deverá ser capaz de:
• Definir o crescimento microbiano;
• Descrever o processo de divisão celular por fissão binária;
• Identificar os parâmetros cinéticos do crescimento microbiano;
• Descrever as fases do crescimento microbiano;
• Definir o crescimento diáuxico;
• Explicar, usando o modelo do operon lac, a regulação da síntese de enzimas induzidas;
• Descrever os mecanismos de regulação da atividade de enzimas;
• Descrever os fatores ambientais que afetam o crescimento de micro-organismos.
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte I
Crescimento microbiano
É resultado do aumento da densidade populacional, isto é número ou massa
de células.
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte I
O crescimento depende de uma série de reações metabólicas
Nutriente ENERGIA: ATP
UNIDADES MONOMÉRICAS
Catabolismo Hidrólise
e oxidação
MACRO- MOLÉCULAS
Anabolismo Biossíntese
“Polimerização”
ULTRAESTRUTURAS Montagem
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte I
Divisão celular por fissão binária
Tempo de geração
Fonte: Madigan et al., 2004 – Microbiologia de Brock 10ª edição
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte I
Período de geração
Durante o período de geração o crescimento é dito balanceado.
Os constituintes celulares aumentam proporcionalmente.
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte I
Cinética de crescimento
Progressão geométrica de quociente 2 do crescimento populacional bacteriano
tg
tg tg
Equação geral do crescimento exponencial: N= 2n N0
Onde: N = Número total de células na população
n = Número de gerações
N0 = Número inicial de células na população
N0 2N0 4N0 8N0 . . .
20 N0 21 N0 22 N0 23 N0 . . . 2n N0
tg
tg
tg
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte I
Cinética de crescimento
N = 2n N0
Resolvendo a equação:
log N = n log 2 + log N0 T
n = tg
log N = log 2 + log N0
T
tg
log N = T + log N0
tg
log 2
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte I
Cinética de crescimento
log N
Tempo (h)
Relação linear entre log N X T
Velocidade específica de crescimento (µ) = coeficiente
angular da reta tangente= log2/tg
µ (h- 1)
(Expressão do crescimento na fase log) log N = T + log N0 tg
log2
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte I
Fases do crescimento microbiano
Fase lag
log N
Tempo (h)
Curva de crescimento
Fase exponencial
(log)
Fase de
morte Fase
estacionária
(Fase lag, fase exponencial, fase estacionária e fase de morte)
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte I
Quais fatores limitam o crescimento bacteriano em uma cultura em batelada?
• Consumo de nutrientes;
• Limitação de oxigênio;
• Acúmulo de metabólitos.
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte I
Crescimento de E. coli em glicose e lactose lactoseediáuxico Crescimento diáuxico
Atividade de Beta-
galactosidase
Glicose
Lactose
log de N Concentração de açúcar
Tempo
Repressão catabólica
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte II
Regulação da síntese enzimas
Lactose
Induz a transcrição dos genes do operon da lactose, que codificam enzimas de assimilação
de lactose.
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte II
Regulação da síntese de enzimas
E. coli não consome lactose na presença de glicose.
Não ocorre indução do operon lac na presença de glicose.
Como ocorre a repressão por glicose?
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte II
Enzimas Induzidas e Enzimas Constitutivas
Enzimas Induzidas
Enzimas de fonte alternativa a glicose, como por exemplo as
de assimilação de lactose.
Enzimas constitutivas
Enzimas das vias metabólicas centrais, como por exemplo, de catabolismo de
glicose.
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte II
Regulação da atividade de enzimas
• Propriedades cinéticas de enzimas
• Modificações covalentes de enzimas
• Modificações não covalentes de enzimas alostéricas
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte II
Regulação da atividade de enzimas alostéricas
Substrato
Enzima alostérica
Sítio ativo
Sítio alostérico
Substrato
Enzima alostérica
Sítio ativo
Sítio alostérico Efetor
alostérico positivo
Efetor alostérico negativo
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte II
Regulação da atividade de enzimas alostéricas
↑ [ATP]
↑ [ADP e AMP]
V
[Frutose-6-P]
Fosfofrutocinase Frutose-6-P Frutose 1-6-P
ATP ADP
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte II
Isocitrato desidrogenase
Acetato
[Isocitrato]
V
Não fosforilada
Fosforilada
Oxaloacetato citrato
Malato Isocitrato
Succinil-CoA
Succinato
Acetil-CoA
Glioxilato
Acetil-CoA Isocitrato liase
CO2
CO2
α-cetoglutarato
Regulação da atividade de enzimas: modificação covalente e propriedades cinéticas
Ciclo de Krebs
Desvio do glioxilato
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte III
Fatores ambientais que afetam o crescimento microbiano
• Temperatura
• pH
• Disponibilidade de água
• Disponibilidade de oxigênio
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte III
Efeito da temperatura no crescimento microbiano
Temperatura (°C)
Taxa
de
cre
scim
ento
Mínima
Ótima
Máxima
Reações enzimáticas com
velocidade máxima
Reações enzimáticas com
velocidade crescente
Desnaturação de proteínas;
Colapso da membrana plasmática; Lise celular
Solidificação da membrana; Diminuição do transporte de substâncias;
Paralização do crescimento
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte III
Classificação dos micro-organismos quanto à temperatura de crescimento
Hipertermófilos Ex: Thermococcus
celer
Mesófilos Ex: Escherichia coli
Termófilos Ex: Bacillus
stearothermophilus
Psicrófilos Ex: Flavobacterium
sp
-10 10 0 20 30 60 80 110 40 50 70 90 100
Temperatura (°C)
Taxa
de
cres
cim
ento
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte III
Classificação dos micro-organismos quanto à faixa de pH de crescimento
Acidófilos Ex: Acidithiobacillus sp
Neutrófilos Ex: Escherichia coli
Alcalifílicos Ex: Bacillus sp
1 3,5 7 9 14
pH
Taxa
de
cres
cim
ento
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte III
Classificação dos micro-organismos quanto à concentração de NaCl requerida para o crescimento
Halófilos Ex: Vibrio fischeri
Concentração salina (NaCl)
Taxa
de
cre
scim
en
to
Halotolerantes Ex: Staphylococcus
aureus
Não halófilos Ex: Escherichia coli
Halófilos extremos Ex: Halobacterium
salinarium
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte III
Por que os halotolerantes, halófilos e halófilos extremos crescem em meio com baixa
atividade de água?
São eficientes para produzir ou acumular solutos compatíveis no citoplasma, no intuito de evitar a perda de água para o meio e manter a célula em
um equilíbrio aquoso positivo.
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte III
Formas tóxicas de oxigênio
O2 + e- O2- (ânion superóxido)
Efeito da disponibilidade de oxigênio no crescimento microbiano
Causam danos às células
Reações (formação de formas tóxicas de oxigênio)
O2- + e- + 2H+ H2O2 (peróxido de hidrogênio)
H2O2
- + e- + H+ OH● (radical hidroxila)
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte III
Por que alguns micro-organsimos toleram a presença de oxigênio e outros não?
Mecanismos de destoxificação: enzimas que eliminam as formas tóxicas.
2 O2- + 2H+ Superóxido dismutase O2 + H2O2
2 H2O2 Catalase 2 H2O + O2
H2O2 + NADH + H+ Peroxidase 2 H2O + NAD+
Aula 05: Crescimento e Regulação do Metabolismo Microbiano – Parte III
Classificação dos micro-organismos quanto à disponibilidade de oxigênio requerida para crescimento
Aeróbios estritos
1
2
3
1= Zona óxica; 2= Zona micro-óxica; Zona anóxica.
Microaerófilos
1
2
3
Anaeróbios estritos
1
2
3
Anaeróbios facultativos
1
2
3
Anaeróbios aerotolerantes
1
2
3