Metabolismo e Processos Microbianos

CCB / MIP

Pós-graduação em AgroecossistemasDisciplina: Ecologia Microbiana

1. Introdução

Metabolismo:

• toda a atividade química realizada por um organismo e seu maquinário.

São de 2 tipos:• aquelas que liberam E = exergônicas -

catabólicas• aquelas que utilizam E = endergônicas -

anabólicas• E = capacidade de realizar trabalho

química

luminosaE

Requerimentos de energia:

2. Produção de Energia (E)

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

Tipos de energia

Energia química – energia contida em ligações químicas das moléculas

Energia radiante (energia da luz) – deve ser convertida em energia química

Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte de energia e carbono

Tipo fisiológico Fonte de Energia Fonte de Carbono

Foto Luz

Quimio Química

Organotrófico/heterotrófico Moléculas orgânicas

Autotrófico/litotrófico Moléculas inorgânicas

Fotoautotrófico = plantas, cianobactérias, algas verdesFotoorganotrófico/hetero = bactérias púrpuras, exceto as abaixoFotolitotróficas = bactérias púrpuras metabolizantes do S

Quimioautotrófico = Archaea metanogênicasQuimiorganotrófico/hetero = maioria bactérias e fungosQuimiolitotrófico = bactérias nitrificadoras

Rotas Metabólicas para Aquisição de Energia, Força Redutora e Intermediários de Carbono para Biossíntese

Moreira & Siqueira, 2006

Quanto à força redutora

Quanto a Fonte de Energia

Quanto a fonte de Carbono para o

Anabolismo

Processos do Fluxo de Energia, Carbono e Nutrientes no Sistema Solo-Planta-Organismos

Moreira & Siqueira, 2006

Produção de Compostos Intermediários que Integram os Processos Bioquímicos dos Organismos Autotróficos e Heterotróficos

Moreira & Siqueira, 2006

2. 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)

• Terminação ase ao seu substrato• Celulase: degradam celulose• Glicose-oxidase: catalisa a oxidação da glicose• Ribonuclease: decompõe acido ribonucleico• Lisozima: cliva o peptideoglicano

Catalise e enzimas

Reação exergônica

COMPLEXO ENZIMA-SUBSTRATO

Enzimas do Solo

São proteínas com ação catalítica e alta especificidade funcional que

viabilizam reações que sustentam o metabolismo celular.

Origem: microrganismos, plantas e animais

Classificação:• Quanto ao local de atividade

- Extracelulares- Intracelulares

• Quanto à posição de ataque no polímero- Exoenzima- Endoenzima

Características:- Alta especificidade de reação- Não são consumidas na reação- Sujeitas à indução, ativação, inibição, desnaturação e biodegradação- Alta resistência (alta estabilidade térmica e resistência ao ataque de proteases)

SKm

SVV

.max

Importância das Enzimas no Solo• Decomposição de resíduos orgânicos;

• Fertilidade do Solo: As enzimas têm participação essencial no ciclo dos nutrientes. Adubação orgânica, rotação de culturas e presença de vegetação (rizosfera) favorecem a atividade enzimática, podendo ter correlação positiva com produtividade ou qualidade do solo;

• Eficiência no uso de fertilizantes: Ex. A urease é necessária para o aproveitamento do N. Porém aplicações incorretas de fertilizantes a base de uréia aumentam as perdas de N por volatilização;

• Índices Enzimáticos Indicadores de Qualidade (Há a necessidade de pesquisas para estabelecer se estes índices têm aplicações agronômicas)

• Indicadores:- Interações entre plantas- Estado de oxi-redução do solo- Estratificador ecológico- Indicador qualidade do solo/presença de poluentes

3. Metabolismo Microbiano“Metabolismo se refere à obtenção de C e energia para

crescimento celular, manutenção e sobrevivência”

MetabolismoCentral

Metabolismo Degradativo- Liberação de energia

(catabolismo)

Metabolismo de Síntese- Consumo de energia

(anabolismo)

Processos simultâneos, controlados geneticamente (enzimas) e por fatores externos

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

Armazenamento de energia

(Madigan et al., 2010)

Ligacoes tioéster

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 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

Características:

1. Oxidação parcial da glicose a piruvato

2. Pequena quantidade de ATP é gerada

(produção líquida de 2 ATP)

3. Pequena quantidade de NAD é

reduzida a NADH

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.

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

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.

Geração da força protomotiva

Fosforilação oxidativa

As 3 etapas da via respiratória

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

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.

• Oxidação de substratos orgânicos ou inorgânicos:

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

-

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

• Quantidade de energia produzida é menor

2. Fermentação (também é uma forma de respiração anaeróbia. Ocorre no citossol)

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.

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

Maior potencial oxidante(receber e-)

Maior potencial redutor(fornecer e-)

Crescimento Microbiano em Relação ao Consumo de Substrato, Geração de Energia, Produtos Metabólicos e Biomassa

mxyg

x

dt

ds

Taxa crescimento específico

BiomassaproduzidaCrescimento

real AH2 +B BH2 + A (Bio-oxidação) AH2 – substrato reduzido (material orgânico a ser oxidado) B – aceptor de elétron ou de H+

BH2 – substância reduzida formada A – produto oxidado

Desidrogenação Perdas de e-

- Aerobiose = O2 como aceptor de e-

- Anaerobiose = Formas inorgânicas

de N, S, C e metais.

Depende da taxa de decomposição e eficiência de conversão do carbono em biomassa (ver tabela 4.2)

Moreira & Siqueira, 2006

Coeficientemanutenção

4. Os Processos Microbianos e a Manutenção dos Ecosistemas

- Os organismos do solo são responsáveis direta ou indiretamente por processos

bioquímicos diversos que controlam as transformações dos elementos químicos e

transferências de energia no sistema solo-planta-atmosfera

Base de sustentação e produtividade dos ecossistemas terrestres em equilíbrio

“Processos - sequência de reações através das quais se realizam transformações da matéria”

- No solo ocorrem inúmeros processos com alto grau de complexidade, sendo os mais

importantes os bioquímicos, resultantes principalmente da atividade dos organismos

microscópicos que crescem neste ambiente

Processos Biológicos do Solo: Suas Inter-relações e Funções no Ecossistema

Siqueira & Trannin, 2003

5. Biomassa Microbiana

Parte viva da matéria orgânica do solo, composta por todos os organismos

menores que 5.10-3 mm3 – Fungos, bactérias actinomicetos, leveduras e

microfauna (protozoários)

- Cerca de 98% do C-orgânico do solo é matéria orgânica morta

- 2% do C-orgânico do solo é composto pela fração viva.

5 a 10% - Raízes

15 a 30% - Macrofauna

60 a 80% - Microrganismos

(1 a 5% da MOS total)BIOMASSA

Moreira & Siqueira, 2006

Transformações e Ciclagem de C, N, P e S no Sistema Solo-Planta Mediados pela Microbiota do Solo

Características da Biomassa Microbiana• Muito dinâmica, responsável por grande parte da atividade biológica do solo;

• Catalisa as transformações bioquímicas, representando fonte e dreno de C e troca de nutrientes entre a atmosfera e o ecossistema solo-planta;

• Destino inicial do C em transformação;

• Principal fonte de enzimas do solo;

• Atividade catalisadora – De 15 a 30% da população total é ativa (depende das condições);

Atividade:- Fungos = 700 a 2.700 kg ha-1; Tempo de geração = 4 a 8 horas (2-10% atividade)- Bactérias = 500 a 750 kg ha-1; Tempo de geração = 0,5 hora (15-30% atividade)- Microfauna = < 50 kg ha-1; Tempo de geração = 2 a 4 horas (pouco conhecida)

• Os valores de biomassa variam muito com o tipo de solo, vegetação e clima

Características da Biomassa Microbiana (cont…)• A biomassa microbiana representa o maior reservatório proporcional da

matéria orgânica ativa em solos tropicais que naqueles de clima temperado;• A quantidade de biomassa encontrada no solo é de certo modo, em

determinado tempo, relacionada à quantidade de C que este solo recebe;• A quantidade de C residual na biomassa depende da degradabilidade do

substrato, variando de 20-40% C (prontamente assimiláveis) no período de 8-12 semanas.

Obs: Apenas 20% de C da lignina é perdido na forma de CO2 após um ano de decomposição

Baixa conversão em biomassa, permanecendo recalcitrante no solo

SucessãoTrófica

Características da Biomassa Microbiana (cont…)• Menores valores de biomassa podem ser encontrados em: áreas degradadas,

várzeas, solos sob cultivo intensivo ou contaminados com metais pesados;

• A biomassa é um reservatório lábil de nutrientes no solo que recicla muito rapidamente, tornando-os disponíveis para as plantas

• A manutenção da cobertura vegetal do solo e o uso de corretivos e fertilizantes (especialmente N e P) resulta no enriquecimento da biomassa. Esta possibilidade é de grande relevância para a sua dinâmica em solos tropicais, nos quais se verifica elevada capacidade de retenção de P na fração mineral, reduzindo sua disponibilidade para as plantas.

Quociente Metabólico (qCO2)• Refere-se à liberação de CO2 por unidade de biomassa por certo tempo (C-

CO2/C-mic h-1), o que corresponde a um índice de atividade heterotrófica específica da biomassa.

• Valores elevados de qCO2 indicam que a população microbiana encontra-se sob estresse, ou seja, há uma necessidade energética mais elevada para manutenção desta.

Solo Contaminado: Embora há uma menor quantidade de microrganismos, há um consumo maior de energia para manutenção (qCO2 correlacionado com os teores de metais pesados)

Moreira & Siqueira, 2006

Densidade e Atividade Microbiana em Solo Contaminado por Metais Pesados