Metabolismo microbiano 1.Conceitos básicos 2.Classes microbianas 3.Quimiotrofia 4.Fototrofia...

Metabolismo microbiano

1. Conceitos básicos2. Classes microbianas 3. Quimiotrofia 4. Fototrofia5. Quimiolitotrofia 6. Integração metabólica

MetabolismoDo grego metabole = mudança, transformação

1.Conceitos básicos

Conjunto das reações bioquímicas que ocorrem dentro da célula

Catabolismo

BIODEGRADAÇÃO

Anabolismo

BIOSSÍNTESE

compostos orgânicos

compostos inorgânicos

luz

• 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.

Estocagem da energia

O ATP é o composto de alta energia mais importante nos seres vivos.

Apesar disso, sua concentração nas células é relativamente baixa (2 mM).

Para o armazenamento de energia por períodos longos, os microrganismos produzem polímeros insolúveis.

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

Utilização de energia

a) É a sequência das reações, começando pelos primeiros ingredientes

até o produto final.

b) As reações metabólicas ocorrem em etapas, nas quais os átomos

dos intermediários são re-arranjados até a formação do produto final.

c) Cada etapa requer uma enzima específica.

Via metabólica

As reações de oxi-redução (redox)

-Um composto se torna oxidado quando:

1. Perde elétrons2. Se liga a um átomo mais eletronegativo 3. Isto geralmente ocorre quando se liga ao oxigênio

- Um composto se torna reduzido quando:

1. Ganha elétrons2. 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.

Oxidação-redução de compostos em sistemas biológicos

O doador de elétrons é referido como fonte de energia.

A quantidade liberada de energia depende da natureza do doador

quanto do receptor

É necessário o transporte de elétrons de uma parte para outra da via metabólica.

Moléculas relativamente pequenas realizam o transporte.

Tipos de transportadores:

- Que se difundem livremente: NAD+, NADP+ (nicotina-adenina-dinucleotídeo)

- Associados à membrana:Flavoproteínas FMN/FADProteínas com Fe e SQuinonas (não protéico)Citocromos (protéico)

NAD+ + 2H+ + 2e- → NADH + H+

alto potencial redutor

Transportadores de elétrons

2. Classes microbianas

Fluxo da energia

Rendimento de até 45%

Fosforilação

A produção de ATP é feita por 3 vias:

•Fosforilação oxidativa

•Fosforilação em nível de substrato

•Fotofosforilação

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 oxigêniob) Anaeróbia: aceptores diferentes do oxigênio (nitrato, sulfato,

carbonato, ...)

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

1a) Respiração aeróbia É o procedimento mais comum às células e compreende 3 etapas:

I. Piruvato (glicólise quando o substrato é a glicose)II. Ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs)III. Cadeia respiratória

Características:

1. Oxidação parcial da glicose a piruvato

2. Pequena quantidade de ATP é

gerada

3. Pequena quantidade de NAD é

reduzida a NADH

I etapa: Piruvato (via glicolítica)É considerada a via metabólica mais primitiva, presente em todas as formas de vida atuais.

Ocorre no citoplasma das células.

H2O

Existem diversas vias glicolíticas

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

Produção direta de 1 GTPguanosina trifosfato (equivalente ao ATP)

Além do papel-chave nas reações catabólicas, é importante nas reações biossintéticas.

Os intermediários são desviados para vias biossintéticas quando necessário:

Exemplos:

Oxalacetato: precursor de aminoácidos

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

Acetil-CoA: biossíntese de ácidos graxos

II etapa: Ciclo de KrebsOcorre no citoplasma (procariotos) e nas mitocôndrias (eucariotos).

Reações preparatórias: formação de composto chave do processo

III etapa: Cadeia respiratória (sistema de transporte de elétrons)Ocorre ao nível da membrana citoplasmática (procariotos) e na membrana das mitocôndrias (eucariotos).

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.

Como o fluxo de elétrons é utilizado para conservar a

energia?

Geração da força protomotiva

Fosforilação oxidativa

As 3 etapas da via respiratória

Resumo 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

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

1b) Respiração anaeróbia

• 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.

O uso de aceptores alternativos permitem os microrganismos respirarem em ambientes sem oxigênio, sendo de extrema importância ecológica.

Uma aplicação importante que merece atenção é a utilização de processos anaeróbios no tratamento de efluentes:

Aceptor final de elétrons diferente do O2

Exemplos:

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

-

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

A respiração anaeróbia: exclusividade dos procariotos

Ocorre em ambientes onde o oxigênio é escasso, como nos sedimentos

ou próximo de nascentes hidrotermais submarinas.

2. Fermentação

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

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

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

Produção líquida de apenas 2 ATP.

Características da fermentação:

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

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:

Síntese de compostos orgânicos importantes

FototropiaA utilização da energia da luz - Fotossíntese

a) Fotossíntese oxigênica

Presente nas cianobactérias e nos cloroplastos das

algas.

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

CianobactériasFotossistemas em lamelas

Fotossíntese oxigênica

Algas e Cianobactérias

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

FotofosforilaçãoA energia da luz é utilizada para a síntese de ATP e NADPH

b) Fotossíntese anoxigênica Doadores de elétrons variam:

H2S or So nas bactérias sulfurosas verdes e púrpuras

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

Bactérias sulfurosas, verdes e púrpuras

Bacterioclorofilas e carotenóidesYellowstone Park,USA

Fotossíntese anoxigênica (bactérias púrpuras)

Fotofosforilação ciclica

Geração de poder redutor para a redução do CO2.

Quimiolitotrofia

Características:

Elétrons são removidos de doadores inorgânicos

(por ex. H2).

Os elétrons passam através da membrana por um

sistema de transporte geralmente acoplado a

síntese de ATP e NADH.

Os elétrons finalmente passam para um receptor

final.

ATP e NADH são usados para converter CO2 em

carboidrato.

• Exemplos de doadores inorgânicos de elétrons:

Amônia (NH4+) Nitrito (NO2

-) nas Nitrosomonas

Nitrito (NO2-) Nitrato (NO3

2-) 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

• 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

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 o

ATP.

• As unidades estruturais são unidas para

formar substâncias complexas da célula.

Integração do catabolismo e anabolismo

Ex. Fornecimento de precursores para biossíntese aminoácidos