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Metabolismo microbiano. Conceitos básicos Classes microbianas Quimiotrofia Fototrofia Quimiolitotróficos Integração metabólica. 1.Conceitos básicos. Metabolismo Do grego metabole = mudança, transformação. METABOLISMO Conjunto das reações bioquímicas que ocorrem dentro da célula.

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metabolismo microbiano

Metabolismo microbiano

Conceitos básicos

Classes microbianas

Quimiotrofia

Fototrofia

Quimiolitotróficos

Integração metabólica

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1.Conceitos básicos

  • Metabolismo
  • Do grego metabole = mudança, transformação

METABOLISMO

Conjunto das reações bioquímicas que ocorrem dentro da célula

Catabolismo

BIODEGRADAÇÃO

Anabolismo

BIOSSÍNTESE

Energia

Energia

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Obtenção de energia

A partir de:

compostos orgânicos

Energia

luz

compostos inorgânicos

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Estocagem da energia

  • A energia liberada das reações deve ser conservada para utilização pelas células.
  • A energia é armazenada em ligações químicas de alta energia (fosfato) em moléculas simples, de forma a ser prontamente utilizável.
slide5
O ATP é o composto de alta energia mais importante nos seres vivos.

Apesar disso sua concentração nas células é relativamente baixa, sendo consumido ao mesmo tempo em que é produzido.

Para o armazenamento de energia por períodos longos, os microrganismos produzem polímeros insolúveis que podem ser oxidados posteriormente.

Ex.: polímeros de glicose (amido e glicogênio), polímeros lipídicos, PHAs (biopoliéster).

Ralstonia eutropha

slide6

Utilização de energia

  • A célula produz energia para:
  • Síntese de seus componentes: parede, membrana, etc.
  • síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, etc.
  • reparos e manutenção
  • crescimento e multiplicação
  • acumulação de nutrientes e excreção de produtos indesejáveis
  • motilidade
vias metab licas
Vias metabólicas
  • As reações metabólicas ocorrem de forma gradual (etapas) nas quais os átomos dos intermediários são re-arranjados até a formação do produto final.
  • Cada etapa requer uma enzima específica
  • A sequência das reações, começando pelos primeiros ingredientes até ao produto final, se denomina VIA METABÓLICA.
as rea es de oxi redu o redox
As reações de oxi-redução (redox)
  • Nas vias metabólicas é importante considerar as reações de oxidação e redução:
    • - Um composto se torna reduzido quando:
      • Ganha elétrons
      • Se liga a um átomo menos eletronegativo
      • E geralmente isto ocorre quando se liga ao hidrogênio
      • Um conposto se torna oxidado quando:
      • Perde elétrons
      • Se liga a um átomo mais eletronegativo
      • Isto geralmente ocorre quando se liga ao oxigênio
      • Formas reduzidas de C (carbohidratos, metano, lipídios, álcoois) são responsáveis por importantes estocagens de energia em suas ligações.
    • Formas oxidadas de C (cetonas, aldeídos, ácidos carboxílicos e CO2) dispõem de pequeno potencial energético em suas ligações.
oxida o redu o de compostos de alta energia
OXIDAÇÃO-REDUÇÃO DE COMPOSTOS DE ALTA ENERGIA

O doador de elétrons é referido como fonte de energia.

A quantidade liberada de energia depende da natureza do doador quanto do receptor.

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Transportadores de elétrons

  • As Enzimas que catalizam as reações requerem o transporte de elétrons de uma parte para a outra da via metabólica.
  • Moléculas relativamente pequenas realizam o transporte.
  • Classes:
  • Que se difundem livremente: NAD+, NADP+
  • Associados à membrana:
  • Flavoproteínas FMN/FAD
  • Proteínas com Fe e S
  • Quinonas
  • Citocromos
  • NAD+ + 2 e- + 2 H+ → NADH + H
  • alto potencial redutor
  • As células contém uma quantidade limitada de NAD, sendo que sua forma reduzida NADH2 precisa ser continuamente re-oxidada para manter o processo metábólico.
transportadores de el trons
TRANSPORTADORES DE ELÉTRONS

São intermediários nas reações de oxidação-redução em células:

NAD - nicotinamida adenina dinucleotídeo (coenzima)

FAD – flavina-adenina mononucleotídeo (flavoproteína)

FMN – flavina mononucleotídeo (flavoproteína)

Citocromos (protéico)

Quinonas (não protéico)

São responsáveis pela eficiência na obtenção de energia.

Estágios das reações:

1 - remoção dos elétrons

2 - transferência

3 - adição ao aceptor final

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Fluxo da energia

Fosforilação

Rendimento de até 45%

A concentração de ATP na célula é baixa.

Numa célula em plena atividade chega a 2 mM

mecanismos para conserva o de energia s ntese de atp
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:

Aeróbia: o aceptor externo é o oxigênio

Anaeróbia: aceptores diferentes do oxigênio (nitrato, sulfato, carbonato, ...)

2. FERMENTAÇÃO: ocorre na ausência de aceptores externos de elétrons (fosforilação em nível de substrato)

1. Respiraçãoaeróbia: é o procedimento mais comum às células e compreende 3 etapas:

  • Piruvato (glicólise quando o substrato é a glicose)
  • Ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs)
  • Cadeia respiratória
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1ª etapa: Via Glicolítica ou Glicólise

É considerada a via metabólica mais primitiva, presente em todas as formas de vida atuais.

Ocorre no citoplasma das células.

Características:

  • Oxidação parcial da glicose a ácido pirúvico
  • Pequena quantidade de ATP é produzida
  • Pequena quantidade de NAD é reduzida a NADH
diversas vias glicol ticas
Diversas vias glicolíticas
  • Quatro vias glicolíticas importantes nos diferentes microrganismos:
  • 1. Via Embden-Meyerhoff-Parnas (EMP)
        • Glicólise “clássica”
        • Presente em todos os organismos vivos
        • 2. Via Hexose monofosfato (HMP)
        • Presente em quase todos os organismos
        • Responsável pela síntese das pentoses usadas na síntese de nucleotídios
      • 3. Via Entner-Doudoroff (ED)
        • Encontrada nas Pseudomonas e gêneros relacionados
      • 4. Via Fosfoketolase (FK)
        • Encontrada no gênero Bifidobacterium e Leuconostoc
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2ª etapa: Ciclo de Krebs

Ocorre no citoplasma (procariotos) e nas mitocôndrias (eucariotos).

Reações preparatórias: formação de composto chave do processo

Produção direta de 1 GTP

guanosina trifosfato (equivalente ao ATP)

Além do papel-chave nas reações catabólicas, o ciclo de Krebs é importante nas reações biossintéticas.

Os intermediários são desviados para vias biossintéticas quando necessário:

Exemplos:

α-cetoglutarato: precursor de aminoácidos

Oxalacetato: precursor de aminoácidos

Succinil-CoA: formação de citocromos e da clorofila, entre outros

Acetil-CoA: biossíntese de ácidos graxos

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3ª etapa: Cadeia respiratória (sistema de transporte de elétrons)

Ocorre ao nível da membrana das mitocôndrias (eucariotos) e na membrana citoplasmática (procariotos)

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.

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Fosforilação oxidativa

Geração da força protomotiva

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

s ntese da respira o aer bia
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 é gerada: até 38 ATPs

Produção de ATP:

Na cadeia respiratória:

4 NADH formados na glicólise geram 12 ATP

6 NADH formados no ciclo de Krebs geram 18 ATP

2 FADH formados no ciclo de Krebs geram 4 ATP

Formação direta na Glicólise 2 ATP

Formação direta no Ciclo de Krebs 2 GTP

Total de até .................................................... 38 ATP

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É uma variação alternativa da respiração aeróbia: o aceptor de elétrons não é o oxigênio.

  • Uma implicação é que rendimento energético é inferior: nenhum dos aceptores alternativos apresenta potencial tão oxidante quanto o oxigênio.
  • Em contrapartida, o uso de aceptores alternativos permitiram os microrganismos respirarem em ambientes sem oxigênio, sendo de extrema importância ecológica.

Respiração anaeróbia

Uma aplicação importante que ganhou muita atenção nos dias atuais éa utilização de processos anaeróbios no tratamento de efluentes:

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Aceptor final de elétrons diferente do O2

Exemplos:

C6H12O6 + 12NO3- 6CO2 + 6H2O + 12NO2-

2 lactato + SO4= + 4H+  2CO2 + S= + H2O + 2 acetato

A respiração anaeróbia, exclusividade dos procariotos, só ocorre em ambientes onde o oxigênio é escasso, como nos sedimentos ou próximo de nascentes hidrotermais submarinas.

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Reação de oxidação-redução internamente balanceada. Ausência de aceptores externos.

2. Fermentação(também é uma forma de respiração anaeróbia)

A concentração de NADH nas células é baixo, precisando ser re-oxidado para não cessar a via glicolítica.

A reduçãodo piruvato a etanol ou outros produtos de restabelece o NAD e permite a continuidade da glicólise .

Produção líquida de apenas 2 ATP.

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Característicasdafermentação:

    • Ácidopirúvico é reduzido a ácidosorgânicos e álcoois
    • NADH é oxidado a forma NAD: essencialparaoperaçãocontinuadada via glicolítica
    • O2não é necessário
    • Nãoháobtençãoadicional de ATP.
    • Gases (CO2 e/ou H2) podem ser produzidos
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As vias fermentativas são úteis na identificação bioquímica:

Fermentação de múltiplos ácidos

      • Escherichia coli
      • Base para teste Vermelho de Metila (VM)
    • Fermentação 2,3-Butanodiol
      • Enterobacter aerogenes
      • Base para o teste de Voges-Proskauer (VP)
  • Também são utilizadas na indústria:
    • Sínteses de compostos orgânicos importantes
fototropia a utiliza o da energia da luz fotoss ntese
FototropiaA utilização da energia da luz - Fotossíntese
  • a. Fotossíntese oxigênica
  • Presente nas cianobactérias e nos cloroplastos dos eucariontes (microalgas por ex.)

Doador de elétrons é H2O: sua oxidação gera o O2 como subproduto.

    • Dois fotossistemas: PSI e PSII
    • Maior função é produzir NADPH e ATP para a fixação de C (produção de matéria orgânica)

Cloroplasto

Cianobactérias

Fotossistemas em lamelas

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Fotofosforilação

A energia da luz é utilizada para a síntese de ATP

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

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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
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Bactérias verdes

Bacterioclorofilas e carotenóides

Yellowstone Park,USA

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Fotossíntese anoxigênica (bactérias púrpuras)

Fotofosforilação ciclica

Geração de poder redutor para a redução do CO2.

quimiolitotrofia
Quimiolitotrofia
  • Características
    • Elétronssãoremovidas de doadoresinorgânicos.
    • Os elétronspassamatravés de umamembranaligada a um sistema de transporte de elétronsgeralmenteacoplado a síntese de ATP e NADH.
    • Os elétronsfinalmentepassampara um receptor final
    • ATP e NADH sãousadospara converter CO2emcarboidrato
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Exemplos de doadores de elétrons:

    • Amônia (NH4+)  Nitrito (NO2-) nas Nitrosomonas
    • Nitrito (NO2-)  Nitrato (NO32-) nas Nitrobacter
    • Sulfeto de hidrogênio (H2S)  Enxofre (So) em Thiobacillus, Beggiatoa, Thiomargarita
    • Enxofre (So)  Sulfato (SO42-) em Thiobacillus
    • Hidrogênio (H2)  Água (H2O) em Alcaligenes

Thiomargarita namibiensis: uma bactéria gigante

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Exemplos de receptores de elétrons

    • Oxigênio (O2)  água (H2O) em diversos organismos
    • Dióxido de carbono (CO2)  Metano (CH4)nas bactérias metanogênicas

4H2 + CO2=> CH4 + 2H2O

Delta G° = -31 kcal/mol

utiliza o da energia
Utilização da energia
  • Generalidades:
  • As vias começam com a síntese das
  • unidades estruturais simples.
  • As unidades estruturais são ativadas com a energia de moléculas como oATP e GTP.
  • As unidades estruturais são unidas para formar substâncias complexas da célula.

Açúcares

Aminoácidos

Nucleotídeos

Ácidos graxos