Microbiologia Geral - Metabolismo Microbiano

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Aula da disciplina de Microbiologia Geral do Prof. Dr. Juliano de Carvalho Cury no CSL-UFSJ

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Microbiologia Geral - Metabolismo Microbiano

  1. 1. 15/01/2014 Metabolismo microbiano Fonte de Energia • Metabolismo: • toda a atividade química realizada por um organismo e seu maquinário. Química Luz São de 2 tipos: CO2 Fotoautotróficos Quimioautotróficos Fotoheterotróficos • aquelas que liberam E = exergônicas – catabólicas (-) • aquelas que utilizam E = endergônicas – anabólicas (+) Quimioheterotróficos Fonte de Carbono Compostos orgânicos • E = capacidade de realizar trabalho química (contida em ligações químicas das moléculas) luminosa (energia radiante que será convertida em energia química) • Requerimentos de energia: Crescimento celular, reprodução, manutenção e movimento Componentes celulares como proteínas (enzimas), DNA, RNA, carboidratos, lipídeos, etc. Síntese Compostos e estruturas Degradação E requerida Sistema de armazenamento e transferência de E E liberada Quebra de substratos ou nutrientes Produtos da degradação servem como unidades para a produção de compostos celulares Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte de energia e carbono Quimiotróficos (utilizam substâncias químicas como fonte de energia) Quimiolitotróficos Quimiorganotróficos C= CO2 C=orgânico 1
  2. 2. 15/01/2014 Fotoautotrófico = plantas, cianobactérias, algas verdes Fotoorganotrófico/hetero = bactérias púrpuras, exceto as abaixo Fotolitotróficas = bactérias púrpuras metabolizantes do S Quimioautotrófico = Archaea metanogênicas Quimiorganotrófico/hetero = maioria bactérias e fungos Quimiolitotrófico = bactérias nitrificadoras Energética e 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) Catalise Muitas reações que libreram energia não ocorrem espontaneamente, necessitando de ativação dos reagentes • Terminação ase ao seu substrato • Celulase: degradam celulose • Glicose-oxidase: catalisa a oxidação da glicose • Ribonuclease: decompõe acido ribonucleico • Lisozima: cliva o peptideoglicano 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, NADPH : CoA, 2
  3. 3. 15/01/2014 O ATP é o composto de alta energia mais importante nos seres vivos. Armazenamento de energia - catabolismo 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). Compostos ricos em energia: armazenamento e transferência de energia (a longo prazo) Geração de ATP por microrganismos • Procariotos: – Glicogenio – Poli-β-hidroxibutirato – Poli-idroxialcanoatos – S (elementar) Ausência de aceptores exógenos de elétrons Menos E • Fermentação Síntese de ATP acoplada a reações de óxido-redução • Respiração • Eucariotos – Poliglicose na forma de amido – Lipídeos na forma de gorduras O2 ou outro composto como aceptor exógeno de elétrons 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 elétrons 2. Se liga a um átomo mais eletronegativo 3. Isto geralmente ocorre quando se liga ao oxigênio - Um composto se torna reduzido quando: 1. Ganha elétrons 2. 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 oxigênio b) 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 3
  4. 4. 15/01/2014 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. 2ª etapa: Ciclo de Krebs Ocorre no citoplasma (procariotos) e nas mitocôndrias (eucariotos). Produção direta de 1 GTP guanosina trifosfato (equivalente ao ATP) Características: 1.Oxidação parcial da glicose a piruvato Além do papel-chave nas reações catabólicas, é importante nas reações biossintéticas. 2.Pequena quantidade de ATP é gerada (produção líquida de 2 ATP) Os intermediários são desviados para vias biossintéticas quando necessário: Exemplos: 3.Pequena quantidade de NAD é reduzida a NADH Oxalacetato: precursor de aminoácidos Succinil-CoA: formação de citocromos e da clorofila, entre outros Acetil-CoA: biossíntese de ácidos graxos 3ª etapa: Cadeia respiratória (sistema de transporte de elétrons) Ocorre ao nível da membrana das mitocôndrias (eucariotos) e na membrana citoplasmática (procariotos) Fosforilação oxidativa Geração da força protomotiva 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. As 3 etapas da via respiratória 4
  5. 5. 15/01/2014 Respiração anaeróbia 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 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. Produção de ATP: • O uso de aceptores alternativos permitem os microrganismos respirarem em ambientes sem oxigênio, sendo de extrema importância ecológica. Na cadeia respiratória: 4 NADH formados na glicólise geram 12 ATP 6 NADH formados no ciclo de Krebs geram • Oxidação de substratos orgânicos ou inorgânicos: 18 ATP 2 FADH formados no ciclo de Krebs geram 2 ATP Formação direta no Ciclo de Krebs 2 lactato + SO4= + 4H+ → 2 acetato + 2CO2 + S= + H2O 4 ATP Formação direta na Glicólise C6H12O6 + 12 NO3- → 6CO2 + 6H2O + 12NO2- 2 GTP • Quantidade de energia produzida é menor Total de até .................................................... 38 ATP Fermentação (também é uma forma de respiração anaeróbia) – fosforilação a nível de substrato Características da Fermentação: 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. 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 Produção líquida de apenas 2 ATP Produtos da fermentação 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 5
  6. 6. 15/01/2014 Fototrofia 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 Fotossíntese oxigênica Cianobactérias Fotofosforilação A energia da luz é utilizada para a síntese de ATP Cianobactérias O NADPH é utilizado para reduzir o CO2 no processo de fixação do carbono 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. 6
  7. 7. 15/01/2014 Utilização de energia Biossíntese de Compostos Nitrogenados N2 Fornecimento de precursores de aminoácidos N inorgânico (NH3+) Aminoácidos Arranjo de aminoácidos Proteínas/enzimas Purinas e pirimidinas Nucleotídeos Ácidos nucléicos (DNA, RNA) Biossíntese de nucleotídeos e ácidos nucléicos (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 7
  8. 8. 15/01/2014 Biossíntese de carboidratos Biossíntese de ácidos graxos CO2 Glicose Glicólise Triose Ácido pirúvico Pentoses e hexoses Acetil CoA e Malonil CoA Nucleotídeos Ácidos graxos de cadeia longa Polissacarídeos (peptidoglicano, celulose, amido, etc.) RNA e DNA Fosfolipídios Glicerol fosfato Outras utilizações de energia Transporte Motilidade Reparos Produção de estruturas de resistência (endosporos) 8

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