METABOLISMO

O metabolismo é a manutenção de atividades vitais das uma célula

(1) Síntese de compostos orgânicos: componentes estruturais e funcionais.

(2) Degradação de compostos orgânicos para a síntese de ATP.

O termo metabolismo refere-se ao conjunto de todas as reações bioquímicas que ocorrem em uma célula ou organismo.

O metabolismo é catalisado por sistemas integrados de enzimas que mediam reações que requerem energia e é constituído do anabolismo e do catabolismo.

O anabolismo é o conjunto de todas as reações de síntese de compostos orgânicos estruturais (proteínas da membrana plasmática, glicoproteínas) e funcionais (enzimas, hormônios) de uma célula, ou seja, a síntese de moléculas complexas a partir de moléculas simples.

As reações anabólicas são importantes para o crescimento, construção e reparo de estruturas celulares.

O catabolismo é o conjunto de todas as reações de degradação de compostos orgânicos destinados à obtenção de energia. As reações catabólicas liberam energia pela quebra de moléculas complexas em moléculas mais simples que podem ser reutilizadas como blocos básicos de construção. O catabolismo fornece energia requerida para os processos vitais, incluindo movimento, transporte e síntese de moléculas complexas.

O metabolismo é um fenômeno vinculado à aquisição e uso eficiente de energia. O uso eficiente de energia é de grande importância do ponto de vista evolutivo. Organismos que usam energia com maior eficiência têm maiores chances de sobreviver e reproduzir seus genes passando à sua descendência qualquer característica vantajosa que possuam.

O metabolismo é um conjunto de eventos altamente regulado. A vida só é possível se há um alto nível de regulação controlando cada evento celular.

Tal nível de regulação é possível pela propriedade das enzimas reconhecerem seus substratos de forma específica. Com base nesta propriedade, as enzimas obedecem a rotas pré-programadas: as vias biossintéticas (anabolismo) e as vias catabólicas (catabolismo).

A absorção e utilização de compostos orgânicos ou inorgânicos requeridos para o crescimento e manutenção das funções celulares, a capacidade de sobrevivência, funcionamento, replicação de células bacterianas e os processos químicos envolvidos nesses eventos constituem o metabolismo bacteriano.

Formas de Obtenção de Energia

a) Metabolismo Heterotrófico - síntese de ATP a partir da energia liberada pela oxidação de compostos orgânicos, transformando-os em moléculas mais simples e utilizadas como fonte de carbono;

b) Metabolismo Autotrófico – são capazes de utilizar CO2 como principal fonte de carbono, obter energia pela síntese de ATP pela respiração aeróbica, anaeróbica, com oxidação de compostos inorgânicos ou captação de energia luminosa.

O modo pelo qual as bactérias fazem esta transformação de energia define seu processo metabólico.

As bactérias que oxidam compostos químicos empregam os processos de respiração aeróbica, anaeróbica ou fermentação, enquanto as que utilizam luz como fonte de energia fazem fotossíntese.

Glicólise

Denomina-se glicólise o processo anaeróbico da oxidação da glicose (C6H12O6) até ácido pirúvico (C3H4O3).

Cada molécula de glicose oxidada até ácido pirúvico resulta num ganho energético de 2 ATP.

Fermentação

A fermentação é o processo de obtenção de energia pelo qual a molécula orgânica que está sendo metabolizada não é completamente oxidada, ou seja, não tem extraído todo o seu potencial energético.

A maioria dos compostos naturais e mesmo muitos compostos sintéticos são degradados por algum tipo de bactéria. Em ambientes anaeróbicos esses processos envolvem fermentação.

A fermentação pode envolver qualquer molécula que possa ser oxidada. Os substratos mais comuns são açúcares e aminoácidos. Os produtos dos processos fermentativos dependem do substrato inicial e incluem ácidos orgânicos, como os ácidos acético e lático, álcoois, como etanol, metanol e butanol, cetonas como a acetona e gases como dióxido de carbono e hidrogênio molecular (H2). Em muitos desses processos, o piruvato é o intermediário comum.

Muitos processos fermentativos conduzidos por bactérias são de importância econômica como a produção de iogurtes (Streptococcus thermophilus e Lactobacillus bulgaricus), queijos (bactérias láticas em geral) e vinagre (Acetobacter).

Bactérias que fazem fermentação do ácido pirúvico formado na glicólise:

Streptococcus – ácido lático

Escherichia coli – ácido fórmico, CO2 e H2

Enterobacter - 2-3 butanodiol e CO2

Propionibacterium - ácido propiônico e CO2

Clostridium butyricum – ácido butírico

Clostridium acetobutyricum – acetona, butanol, álcool iso propiônico e CO2

De modo geral cada molécula de glicose oxidada pela fermentação libera energia suficiente para a síntese de 2 a 3 ATP.

Tanto a glicólise quanto a fermentação são processos de baixo rendimento energético, pois resultam na síntese de pequena quantidade de ATP. As bactérias têm que absorver grandes quantidades de substrato para obterem energia suficiente para os processos celulares.

Respiração aeróbica

A respiração aeróbica é o processo de oxidação do piruvato - resultante da glicólise - a dióxido de carbono e água, através de uma série de reações denominadas em conjunto CICLO DE KREBS. É um processo que requer O2 como aceptor final de elétrons e é muito mais eficiente na obtenção de energia do que a glicólise ou a fermentação. Os organismos capazes de realizar a respiração aeróbica dominaram todo o planeta apresentando ampla diversidade enquanto que os organismos fermentadores encontram-se restritos a nichos anaeróbicos onde existam fontes de carbono aproveitáveis.

Equação geral da Respiração Aeróbica

C6H12O6 + 6 O2 →6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP

Fotossíntese, glicólise, fermentação, respiração aeróbica são uma cadeia de reações bioquímicas (via metabólica) nas quais o produto de uma reação serve de substrato (material para reação) para a próxima. Cada reação de uma via metabólica é controlada por uma enzima específica. As vias metabólicas captam energia de um substrato de uma forma que as células possam utilizar.

Respiração anaeróbica

Os microrganismos são capazes de utilizar muitos outros aceptores finais de elétrons além do oxigênio, como o sulfato em bactérias do gênero Desulfovibrio.

Respiração anaeróbica realizada em Desulfovibrio desulfuricans

2 C3H5O3- + SO4

2- 2 C2H3O2- + 2 CO2 + HS- + 2 ATP

lactato + sulfato acetato

Aerobiose e anaerobiose

A capacidade de crescer na presença ou na ausência de oxigênio divide as bactérias em cinco grupos:

1) Aeróbicas estritas

Bactérias aeróbicas estritas crescem apenas onde há disponibilidade de oxigênio, como por exemplo, as bactérias do gênero Pseudomonas. Muitas espécies do gênero são quase exclusivamente saprófitas, estão presentes no solo e água.

A P. aeruginosa tem distribuição mundial, pode ser encontrada sobre a pele, as mucosas e as fezes dos animais, produzem enterotoxina responsável pela diarréia.

A P. fluorescens está presente no solo e água, podendo estar associada à lesão em répteis e peixes e em alimentos decompostos.

Outras Pseudomonas spp saprófitas estão relacionadas com infecções raras no homem. Contaminantes de amostras incluem P. putida, P. fluorescens.

As Pseudomonas podem infectar o sangue, a pele, os ossos, os ouvidos, os olhos, as vias urinárias, as válvulas cardíacas e os pulmões.

As queimaduras podem infectar-se gravemente por Pseudomonas, conduzindo a uma infecção do sangue que, em geral, se revela mortal.

As infecções graves por Pseudomonas ocorrem habitualmente nos hospitais e o organismo encontra-se com frequência nas áreas úmidas, como os lavadouros e os receptáculos para a urina.

As infecções mais graves provocadas por Pseudomonas afetam as pessoas debilitadas cujo sistema imunitário não funciona corretamente em virtude de determinadas medicações, de outros tratamentos ou de uma doença.

As Pseudomonas podem causar pneumonia aguda nos doentes hospitalizados, em especial naqueles que se encontram nas unidades de tratamentos intensivos.

Este gênero de bactéria é também uma causa frequente de infecções das vias urinárias, geralmente em doentes que tenham sofrido intervenções urológicas ou que manifestem obstrução daquelas vias.

2) Microaerófilas

Bactérias microaerófilas requerem uma quantidade reduzida de oxigênio; altas concentrações de oxigênio lhes são tóxicas. As bactérias microaerófilas sobrevivem em ambientes com alta concentração de dióxido de carbono e baixas concentrações de oxigênio (5% a 6%), como por exemplo, as bactérias do gênero Campylobacter.

Atribui-se como fonte de infecção para o ser humano, o contato direto com animais portadores, o consumo de água e alimentos de origem animal contaminados, mormente a ingestão de carnes cruas ou mal processadas de aves, suínos e bovinos e de leite não pasteurizado.

Elas são causa de gastrenterite humana. No Brasil, diversos autores têm relatado a presença de Campylobacter spp. em fezes de indivíduos com diarréia aguda ou crônica e até em indivíduos assintomáticos, observando-se que a incidência nos quadros diarréicos tem variado entre 2,3 a 17%, dependendo da faixa etária e das condições socioeconômicas dos pacientes.

A importância da espécie bovina na transmissão da campilobacteriose assemelha-se aos demais grupos de animais que se destinam à produção de carne, incluindo-se ovinos e suínos. Campylobacter spp. pode ser isolado em proporções elevadas das carcaças. Logo após o abate, a evisceração dos animais portadores se constitui no ponto crítico de contaminação da carne, embora o resfriamento e a secagem da carcaça por ventilação forçada reduza significativamente a carga bacteriana.

O consumo de leite bovino não pasteurizado também tem sido responsabilizado por surtos isolados de campilobacteriose intestinal na Inglaterra e Estados Unidos.

3) Anaeróbicas facultativas

Bactérias anaeróbicas facultativas utilizam oxigênio em seu metabolismo energético, mas também podem crescer na ausência de oxigênio. As bactérias Escherichia coli e espécies de Staphylococcus são encontradas no trato intestinal e urinário onde há pouca disponibilidade de oxigênio. Todas as bactérias pertencentes à família Enterobacteriaceae são anaeróbicas facultativas.

Escherichia coli é um dos microrganismo tido como habitante natural da flora microbiana do trato intestinal de humanos e da maioria dos animais de sangue quente, sendo portanto, normalmente encontrado nas fezes destes animais. Muitas cepas de Escherichia coli não são patogênicas. Existem basicamente quatro diferentes grupos de E. coli que tem sido relacionados com surtos de infecção alimentar: a) A primeira delas é conhecida como Escherichia coli enteropatogênica

(EPEC), e é conhecida como causadora de surtos de diarréia neonatal que ocorre freqüentemente em berçários hospitalares. Muitos adultos possuem EPEC no trato intestinal, porém não expressam os sintomas da doença. Acredita-se que adultos adquirem imunidade a este microrganismo.

b) Outro grupo de Escherichia coli patogênicas são as enteroinvasivas ( EIEC ). A EIEC tem um comportamento patológico muito semelhante a Shigella. Os sintomas são calafrio, febre, dores abdominais e disenteria. O período de incubação varia de 8 a 24 horas com média de 11 horas e a duração da

doença é usualmente de vários dias. O microrganismo invade células do epitélio intestinal, multiplica-se dentro destas células e invadem células epiteliais adjacentes provocando ulcerações do cólon, resultando finalmente em diarréia de sangue.

c) A Escherichia coli enterotoxigênica ( ETEC ) é geralmente mais associada à " diarréia do viajante" do que a doenças alimentares nos Estados Unidos. Os sintomas de ETEC são similares aos da cólera: diarréia aquosa, desidratação, possivelmente choque, e algumas vezes vômito. O período de incubação varia de 8 a 44 horas, com média de 26 horas e a duração da doença é curta, aproximadamente 24 a 30 horas. O microrganismo coloniza a superfície epitelial do intestino delgado produz uma ou mais toxinas, que vão agir no intestino delgado induzindo a libertação de fluido. Não ocorre invasão nem dano à camada epitelial do intestino delgado, apenas ocorre colonização e produção de toxinas.

d) O quarto grupo de Escherichia coli é o das enterohemorrágicas. Entre os grupos patogênicos de Escherichia coli, este é provavelmente o mais importante em termos de infecções alimentares, e o principal sorotipo envolvido é o O157:H7, cresce rapidamente entre 30 e 42°C. O microrganismo foi reconhecido como causador de doenças em humanos em 1982 quando foi associado à dois surtos de colite hemorrágica nos estados de Oregon e Michigan. Ambos os surtos foram relacionados epidemiologicamente à ingestão de hamburguer contaminado em uma cadeia de "fast-food".Bovinos, principalmente animais jovens como bezerros e novilhos, tem sido identificados como reservatórios naturais de Escherichia coli O157:H7. O microrganismo foi isolado, em várias ocasiões, das fezes de bezerros e novilhos, incluindo de bezerros, de 1 a 3 semanas de idade. Diversos alimentos de origem animal, principalmente produtos derivados de carne bovina, tem sido considerados veículos de transmissão de Escherichia coli O157:H7.

4) Anaeróbicas aerotolerantes

Bactérias anaeróbicas aerotolerantes suportam a presença de oxigênio, sem utilizá-lo em seu metabolismo. Por exemplo, a bactéria Lactobacillus acidophillus, presente na parede do intestino delgado, na vagina e na uretra. O L. acidophilus possui ação antimicrobiana comprovada contra Staphylococcus aureus, Salmonella, C. albicans, Escherichia coli, Clostridium e Klebsiella. A quebra dos alimentos pelo L. acidophilus leva a produção de ácido lático, peróxido de hidrogênio, e outros subprodutos que tornam o ambiente hostil para microrganismos indesejáveis. L. acidophilus produz a enzima lactase em grande quantidade, essa enzima fraciona as moléculas do açúcar presente no leite (lactose) em açucares mais simples que podem ser facilmente digeridos. L. acidophilus e outras bactérias benéficas são resistentes aos sucos gástricos e à bílis. São, portanto, capazes de sobreviver no trato gastrintestinal após serem ingeridos.

5) Anaeróbicas estritas

Bactérias anaeróbicas estritas não crescem na presença de oxigênio que lhes é tóxico. A maioria das espécies anaeróbicas estritas é encontrada no solo ou em microambientes anaeróbicos no corpo de animais, como ferimentos profundos, intestinos de animais ou a junção das gengivas com os dentes.

São exemplos de organismos anaeróbicos estritos as bactérias do solo Clostridium tetani (causadora do tétano), Clostridium botulinum (causadora do botulismo) e as bactérias associadas com doenças periodontais, como Porphiromonas gengivallis e Prevotella intermedia.

Clostridium botulinum Clostridium tetani

Para o crescimento de bactérias anaeróbicas estritas em laboratório são requeridos procedimentos especiais de cultivo, tais como a exclusão total do oxigênio do meio de cultura e do ambiente de crescimento através do uso de agentes redutores que reajam com o oxigênio gasoso.

Na presença de oxigênio são formados como subprodutos das atividades das enzimas oxidativas, que participam da síntese de ATP, o radical superóxido (O2-) e peróxido de hidrogênio (H2O2).

Nas bactérias aeróbicas estritas e na maioria das anaeróbicas facultativas, o radical superóxido é convertido em oxigênio molecular (O2) e em peróxido de hidrogênio (H2O2) pela enzima superóxido dismutase.

O peróxido de hidrogênio é convertido em oxigênio molecular e água pela enzima catalase (algumas espécies de bactérias anaeróbias facultativas e de aerotolerantes não possuem a catalase).

As bactérias anaeróbicas estritas não sintetizam nem a catalase nem a superóxido dismutase então são mortas pelos efeitos tóxicos do superóxido e do peróxido de hidrogênio.