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Introdução
Metabolismo:
• toda a atividade química realizada por toda a atividade química realizada por um organismoum organismo
São de 2 tipos:São de 2 tipos:
• aquelas que liberam aquelas que liberam EE = exergônicas - = exergônicas - catabólicascatabólicas• aquelas que utilizam aquelas que utilizam EE = endergônicas - = endergônicas - anabólicasanabólicas
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∆G = +
∆G = -
3AnabólicaCatabólica
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Requerimentos de energia:
Produção de Energia (E)
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Sistema dearmazenamentoe transferência
de E
Componentes celularescomo proteínas (enzimas),DNA, RNA, carboidratos,
lipídeos, etc.
Produtos da degradaçãoservem como unidades
para a produção decompostos celulares
Síntese
Compostos e estruturas
Degradação
Quebra desubstratos ou
nutrientes
E liberadaE requerida
Crescimento celular,reprodução, manutençãoe movimento
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Tipos de energia
Energia química – energia contida em ligações químicas das moléculas
Energia radiante (energia da luz) – deve ser convertida em energia química
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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, NADPHAcetil CoA, NAD, NADH, NADPH
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Armazenamento de energia
8(Madigan et al., 2010)
Ligacoes tioéster
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Glicose acido 2-fosfoglicérico acido fosfoenolpirúvico acido pirúvico9
Fosforilação a nível de substrato = GLICÓLISE
Geração de ATP por microrganismos - Geração de ATP por microrganismos - FermentaçãoFermentação
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• Todas as reações de oxidação liberam energia (sistema de transporte de elétrons)
• A energia é armazenada temporariamente em força proton-motiva
• A força proton-motiva fornece energia para a síntese de ATP a partir do ADP
• sistema O/R:
doador (O/R)1 (O/R)2 (O/R)3 (O/R)4 aceptor
Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa
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nutriente composto oxidado
Geração de ATP por microrganismos - Geração de ATP por microrganismos - RespiraçãoRespiração
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Exterior da célula
Citoplasma
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Luz como fonte de energiaLuz produz força proton-motivaForça proton-motiva promove síntese de ATP
Onde faz e quem faz:Cianobactérias, algas, plantas verdes (fototróficos)Nos tilacóides no citoplasma ou nos cloroplastos,
devido a presença de clorofila
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Geração de ATP por microrganismos - Geração de ATP por microrganismos - RespiraçãoRespiração
FotofosforilaçãoFotofosforilação
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Como faz:Além de fotofosforilação também fixam CO2
Este processo requer 2 componentes:○ ADP (fonte de energia)
○ NADPH2 (doador de e- para a fixação do CO2)
Depende da atividade de 2 estruturas:○ Fotossistema I (PS I)○ Fotossistema II (PS II)
Geração de ATP por Geração de ATP por microrganismosmicrorganismos
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Organização do complexos protéicos na membrana fotossintética de uma bactéria púrpura fototrófica. Ogradiente de prótons gerado pela luz é utilizado na síntese de ATP, catalisada pela ATP sintase (ATPase).
(Madigan et al., 2010)
CL = clorofilaCR = centros de reaçãoBph = bacteriofeofitinaQ = quinonaFe-S = proteína Fe-Sbc1 = complexo citocromo bc1C2 = citocromo c2
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Fotofosforilação
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Fotofosforilação
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Estroma
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Vias metabólicas de produção de energia
Vias importantes GlicóliseVia de regeneração do NAD+
○ Fermentação○ Respiração:
aeróbiaanaeróbia
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Glicólise
Degradação anaeróbica da glicose a ácido pirúvico por uma
sequência de reações catalizadas enzimaticamente (também
chamada de via Embden-Meyerhoff )
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Produção líquidade 2 ATP
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Regeneração do NAD (Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo)
Através de 2 métodosFermentaçãoRespiração:
aeróbicaanaeróbica
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Fermentação
Ausência de O2
Reações de oxidação e redução de um composto orgânico
Baixo potencial de energia (processo pouco eficiente)
Ocorre fosforilação em nível de substrato Ocorre no citosol
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Este é o processo básico na indústria de produção de bebidas alcoólicas22
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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
Produtos da fermentação
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Respiração Processo de regeneração do NAD onde o NADH2 é o
doador de e- para o sistema de transporte de e-
Respiração aeróbica: O2 é o aceptor final de e-
Respiração anaeróbica: outra molécula (NO3-, SO4
--) como aceptor final de e-
Vantagem sobre a fermentação: além da regeneração de NAD há produção de força proton-motiva para síntese adicional de ATP
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Respiração aeróbica
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Ciclo de Krebs
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Produção de ATP em crescimento aeróbico na presença da glicose
27Produção liquida = 38 ATP
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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.
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Utilização de energia
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Fases de crescimento: lag, exponencial (log), estacionária, declínio
Curva de crescimento Microbiano
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Crescimento microbiano
• Expressão matemática do crescimento – progressão geométrica de quociente 2:
• 1 2 4 8 16 32 ......... X
• 2º 21 22 23 24 25 ......... 2n
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Crescimento microbiano
• Tempo de geração: tempo necessário para a divisão das células– depende da espécie e das condições de crescimento
• g = t/n, onde:
– g = tempo de geração
– t = tempo de crescimento
– n = número de gerações dentro de um tempo t de crescimento
• E. coli: 20 min
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35
5 x 107
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Crescimento microbiano
• A relação entre o número de células e de gerações pode ser expressa em uma série de equações matemáticas:– sendo a população inicial = N0
• 1ạ geração N = N0 x 21
• 2ạ geração N = N0 x 22
• 3ạ geração N = N0 x 23
• nạ geração N = N0 x 2n
população final (N) = N0 x 2n
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Crescimento microbiano
• A relação entre o número de células e de gerações pode ser expressa em uma série de equações matemáticas:– sendo a população inicial = 5
• 1ạ geração N = N0 x 21 = 5 x 2 = 10
• 2ạ geração N = N0 x 22 = 5 x 22 = 20
• 3ạ geração N = N0 x 23 = 5 x 23 = 40
• nạ geração N = N0 x 2n = 5 x 2n
população final (N) = N0 x 2n
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Medidas do crescimento
• Medidas diretas– Contagem de células totais
• Câmaras de Petroff-Hausser e de Neubauer• Contagem dos viáveis
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Medidas do crescimento
Contagem microscópica direta: Câmara de Petroff-Hausser
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Medidas do crescimentoContagem dos viáveis
40
Superfície
Pour plate
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Contagem dos viáveis utilizando atécnica das diluições em série
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Medidas do crescimento
• Medidas indiretas– Turbidez
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Fatores que afetam o crescimento Fatores químicos:
pH:
neutrófilos – pH ≈ 7.0 acidófilos – pH < 7.0 alcalófilos – pH > 7.0
Importância:
• Atividade enzimática
• Conformação protéica
• Disponibilidade de metais e elementos orgânicos
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Archaea acidofílica – área de mineração ácida (extração de ouro, etc.)
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Rochas calcáricas
Vermiculita
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Fatores que afetam o crescimento Fatores químicos:
O2:
Aeróbicos obrigatórios Anaeróbicos obrigatórios Anaeróbicos facultativos Microaerófilos Aerotolerantes
Importância:
• Respiração e produção de energia
• Reações de óxido-redução
• Atividade enzimática
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aeróbios anaeróbios anaeróbios microaerófilos anaeróbios obrigatórios obrigatórios facultativos aerotolerantes
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Fatores que afetam o crescimento Fatores físicos:
Temperatura:
Psicrófilos: - 5 C a 20 C Mesófilos: 20 C a 50 C Termófilos: 50 C a 80 C Termófilos extremos: acima de 80 C
Importância:
• Altera as respostas enzimáticas
• Altera as respostas a choques térmicos
• Influencia na razão de crescimento
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Chlamydomonas nivalis
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• Estratégias de adaptação às altas temperaturas– membranas
– ácidos graxos diferenciados:
• Archaea não tem ácidos graxos nas membranas (têm hidrocarbonetos C40 com unidades de isopropeno)
– monocamada lipídica
Fatores que afetam o crescimento
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Monocamada lipídica
Bicamada lipídica
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• Estratégias de adaptação às altas temperaturas– proteínas
– tipo de aminoácido: conferem conformação distinta (Glu, Lys, Arg)
– velocidade de renovação das células Taq polimerase (Thermus aquaticus)
– ácidos nucléicos
– maior concentração de C≡G
Fatores que afetam o crescimento
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Fatores que afetam o crescimento Fatores físicos:
Pressão osmótica (NaCl): Halotolerantes Halófilos Halófilos extremos
Pressão hidrostática Barotolerantes Barófilos
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Habitat de Archaea:Great Salt Lake (2460 km2, Utah, EUA
Halofílicas extremas
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Halofílicas extremas
Evaporadores na Baía de São Francisco, Califórnia, EUA
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Fatores que afetam o crescimento Fatores biológicos:
Fauna e o substrato Processos de ingestão Ciclagem de nutrientes Composição da comunidade
Interações microbianas Neutralismo Comensalismo Sinergismo Mutualismo
Biodisponibilidade Adsorção Solubilidade Especiação química
Competição Amensalismo/Antagonismo Parasitismo Predação
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