Post on 17-Apr-2015
Metabolismo microbiano
1. Conceitos básicos2. Classes microbianas 3. Quimiotrofia 4. Fototrofia5. Quimiolitotróficos 6. Integração metabólica
MetabolismoDo grego metabole = mudança, transformação
1.Conceitos básicos
METABOLISMO
Conjunto das reações bioquímicas que ocorrem dentro da célula
Catabolismo
BIODEGRADAÇÃO
Anabolismo
BIOSSÍNTESE
• 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, 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
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
Utilização de energia
a) As reações metabólicas ocorrem de forma gradual (etapas) nas
quais os átomos dos intermediários são re-arranjados até a formação
do produto final.
b) Cada etapa requer uma enzima específica
c) A sequência das reações, começando pelos primeiros ingredientes
até ao produto final, se denomina VIA METABÓLICA.
Vias metabólicas
As reações de oxi-redução (redox)
Nas vias metabólicas é importante considerar as reações de oxidação e redução:
- 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
- Um conposto se torna oxidado quando:
1. Perde elétrons2. Se liga a um átomo mais eletronegativo 3. 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.
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.
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/FADProteínas com Fe e SQuinonasCitocromos
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 elétrons
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
Fluxo da energia
A concentração de ATP na célula é baixa.
Numa célula em plena atividade chega a 2 mM
Rendimento de até 45%
Fosforilação
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 oxigênioAnaeróbia: aceptores diferentes do oxigênio (nitrato, sulfato,
carbonato, ...)
2. FERMENTAÇÃO: ocorre na ausência de aceptores externos de elétrons (fosforilação em nível de substrato)
1. 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
Características:
1. Oxidação parcial da glicose a ácido
pirúvico
2. Pequena quantidade de ATP é
produzida
3. Pequena quantidade de NAD é
reduzida a NADH
1ª etapa: Via Glicolítica ou GlicóliseÉ considerada a via metabólica mais primitiva, presente em todas as formas de vida atuais.
Ocorre no citoplasma das células.
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
Produção direta de 1 GTPguanosina 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
2ª etapa: Ciclo de KrebsOcorre no citoplasma (procariotos) e nas mitocôndrias (eucariotos).
Reações preparatórias: formação de composto chave do processo
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.
Fosforilação oxidativa
Sistema O/R: próximo membro do sistema tem maior capacidade para receber elétrons
Geração da força protomotiva
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
Respiração anaeróbia
•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.
Uma aplicação importante que ganhou muita atenção nos dias atuais 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, só ocorre em
ambientes onde o oxigênio é escasso, como nos sedimentos ou próximo
de nascentes hidrotermais submarinas.
2. Fermentação (também é uma forma de respiração anaeróbia)
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:
Sínteses de compostos orgânicos importantes
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
CianobactériasFotossistemas em lamelas
Fotofosforilação
O NADPH é utilizado para reduzir o CO2 no processo de fixação do CO2
A energia da luz é utilizada para a síntese de ATP
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
Fotossíntese anoxigênica (bactérias púrpuras)
Fotofosforilação ciclica
Geração de poder redutor para a redução do CO2.
Quimiolitotrofia
Características
Elétrons são removidas de doadores inorgânicos.
Os elétrons passam através de uma membrana ligada a um
sistema de transporte de elétrons 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 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
AçúcaresAminoácidosNucleotídeosÁcidos graxos
Generalidades:
• As vias começam com a síntese das unidades estruturais simples.• As unidades estruturais são ativadas
com a energia de moléculas como o ATP e GTP.
• As unidades estruturais são unidas para formar substâncias complexas da célula.