metabolismo microbiano ( microrganismos)

Microbiologia

1. Metabolismo microbiano
Microbiologia Geral

Profa. Dra. Bruna Alexandrino

2. ENZIMAS, METABOLISMO E ENERGIA
Enzimas: catalisadores

 aumentam a velocidade da reação

 não são consumidas nem destruídas durante o processo

 não duram indefinidamente

 são específicas para cada reação

Ex.: hidrolase, polimerase

Substrato – composto no qual a enzima exerce seu efeito

3. Endoenzimas: encontradas dentro de célula

Exoenzimas: secretadas fora de células

Co-fatores: substâncias que ativam enzimas. São compostos
inorgânicos (Mg, Zn, Ca, Fe...)

Co-enzimas: parte não proteica combinada a proteína pura.
Moléculas orgânicas (flavina-adenina-dinucleotídio (FAD) ,
nicotinamida-adenina dinucleotídio (NAD) e vitaminas
ENZIMAS, METABOLISMO E ENERGIA

4.  Fatores que afetam a atividade das enzimas:

 calor excessivo
 Acidez excessiva

 ocorre desnaturação das enzimas

 Venenos celulares – substituem os co-fatores
 Ex: desinfetantes
 agentes quimioterápicos - sulfonamida
INIBIÇÃO DE ENZIMAS

5. Metabolismo
Do grego metabole = mudança, transformação
METABOLISMO
Conjunto das reações bioquímicas que ocorrem dentro
da célula
Catabolismo
BIODEGRADAÇÃO
Anabolismo
BIOSSÍNTESE
Exergônica Endergônica
CONCEITOS BÁSICOS

6. Obtenção de energia
Energia
compostos orgânicos
compostos inorgânicos
luz
A partir de:

7. Quais as formas de energia existentes????


Energia química => utilizada pelos microrganismos vivos

Energia radiante => alguns microrganismos
convertê-la em energia química para utilizá-la

Energia térmica => não pode ser utilizada
ajuda fazendo com que as reações ocorram de forma mais
rápida
Energia requerida pelos microrganismos

8. A energia das reações deve ser conservada para utilização pelas células.
 armazenada em ligações químicas de alta energia (fosfato) em moléculas
simples
Estocagem da energia

9. O que é energia????

A célula produz energia para: ???

•Síntese de seus componentes
•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

10. a)Reações metabólicas => forma gradual => os átomos dos
compostos intermediários são re-arranjados => formação do
produto final.

a)Cada etapa requer uma enzima específica

b)VIA METABÓLICA => A sequência das reações, começando
pelos primeiros ingredientes até ao produto final

Vias metabólicas

11. Obtenção de energia
Substâncias com alto valor energético
 elevado grau de redução
 grande parte das bactérias obtém toda energia que necessita por
oxidação desses substratos

Substâncias que podem ser oxidadas – açúcares, proteínas, peptídeos e as
gorduras.

Substâncias que podem ser reduzidas – oxigênio, nitratos, sulfatos e alguns
compostos orgânicos

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

Concentração nas células é relativamente baixa,

Armazenamento de energia por períodos longos => polímeros insolúveis que podem ser oxidados
posteriormente.

Ex.: polímeros de glicose (amido e glicogênio), polímeros lipídicos, PHAs (biopoliéster).
Ralstonia eutropha
Obtenção de energia

13. Produção de ATP pelos microrganismos
1.Fosforilação em nível de substrato
•grupo fosfato removido de um composto e adicionado diretamente
ao ADP

2. Fosforilação oxidativa
energia liberada pela oxidação de nutrientes é utilizada para
síntese de ATP a partir do ADP


3. Fotofosforilação
energia da luz é utilizada para a síntese de ATP a partir do ADP

14. Fosforilação oxidativa
Toda oxidação libera energia que pode ser utilizada para produção de ATP

Sistema de transporte de elétrons (bactérias = memb. Citop., eucariotos =
mitoc)



Força protomotiva


Síntese de ATP a partir do ADP

15. As reações de oxi-redução (redox)





Nas vias metabólicas é importante considerar as reações de oxidação e redução:


Um composto se torna oxidado quando:

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


Um composto se torna reduzido quando:

1. Ganha elétrons
2. Se liga a um átomo menos eletronegativo
3. Geralmente isto ocorre quando se liga ao hidrogênio

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 CO
2) dispõem
de pequeno potencial energético em suas ligações.

16. Vias de degradação de nutrientes
Utilizadas por organismos quimiotróficos

Compostos orgânicos:

Compostos complexos
Compostos menos complexos
Produção de ATP
Vias catabólicas
Fornece precursores para produção de
proteínas, lipídeos, polissacarídeos e ác.
nucleicos
Reações catabolizadas por enzimas
Proteínas, gorduras, ac. Graxos e
polissacarídeos
Aacs. Glicerol, sacarídeos

17. 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/FAD
Proteínas com Fe e S
Quinonas
Citocromos

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 metabólico.
Transportadores de elétrons

18. 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.

19. 2. Classes microbianas

20. 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 oxigênio
Anaeróbia: aceptores diferentes do oxigênio (nitrato, sulfato,
carbonato, ...)

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

21. 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

Mecanismos para conservação de energia
(síntese de ATP)

22. 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 Glicólise
É considerada a via metabólica mais primitiva, presente em todas as formas de vida atuais.
Ocorre no citoplasma das células.

23. Produção direta de 1 GTP
guanosina 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 Krebs
Ocorre no citoplasma (procariotos) e nas mitocôndrias (eucariotos).
Reações preparatórias:
formação de composto
chave do processo

24. 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.

25. Obtenção de energia por oxidação
Oxidação aeróbia
Oxidação anaeróbia
Respiração anaeróbia
Fotossíntese
Quimiossíntese

26. Obtenção de energia
Oxidação aeróbia de carboidratos
Glicose: carboidrato mais abundante da natureza

Oxidação aeróbia total:
Oxida glicose a CO
2 +
H
2O
Realizada por organismos unicelulares e a maioria dos
pluricelulares, animais e vegetais.

Catabolismo completo da glicose ocorre em três etapas:
Glicólise
Ciclo do ácido cítrico
Sistema de transporte de elétrons

27. Síntese da respiração aeróbia
Reações de oxidação e redução em presença de um aceptor de elétrons
externo, o O
2
A molécula inteira do substrato é oxidada até CO
2
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

28. Obtenção de energia
Oxidação anaeróbia
1. fermentação
Feita por microrganismos anaeróbios
Oxidação do substrato inicial é incompleto e os produtos finais da fermentação
excretados no meio são moléculas orgânicas apenas parcialmente oxidados
São capazes de liberar energia.

2. fermentação de carboidratos: fermentação de açúcares, geralmente
utilizada pela via glicolítica produzindo piruvato

29. Obtenção de energia
Principais tipos de fermentação
Fermentação lática:
oxidação do NADH – transferência de seus elétrons diretamente para o piruvato com
produção de lactato

Fermentação alcoólica: NADH é oxidado pela redução do acetaldeído a etanol

Fermentação fórmica – diferentes produtos finais.
Variam dependendo do tipo de microrganismo considerado.
De acordo com o prod. final pode ser dividida em:

Mista ou fermentação do butanodiol

30. Ácida Mista: oxidação do NADH obtida em diferentes etapas:
- redução do piruvato a lactato,
- de acetil CoA a acetaldeído,
- de acetaldeído a etanol e
na conversão de oxalacetato a succinato

Fermentação do butanodiol :
quantidade de ácidos formada é pequena predominando produtos finais
neutros
etanol,
acetoína e
butanodiol

Obtenção de energia

31. 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 restabelece o
NAD e permite a
continuidade da
glicólise .
Produção líquida de
apenas 2 ATP.

32. Ácido pirúvico é reduzido a ácidos orgânicos e álcoois
NADH é oxidado a forma NAD: essencial para operação
continuada da via glicolítica
O
2 não é necessário
Não há obtenção adicional de ATP.
Gases (CO
2 e/ou H
2) podem ser produzidos
Características da fermentação:

33. 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

35. Obtenção de energia
Respiração anaeróbia

Realizado por algumas bactérias
Substratos reduzidos transferem seus elétrons a uma cadeia de transporte de elétrons
com aceptor final diferente de oxigênio
inorgânico => nitrato, nitrito, sulfato, carbonato, ion férrico
Orgânico => fumarato

A cadeia de transporte de elétrons => utilizada na cadeia aeróbica.

Quantidade de energia produtiva

Cadeia Aeróbica > cadeia anaeróbica > fermentativa

36. Respiração anaeróbia
•É uma variação alternativa da respiração aeróbia: o aceptor de elétrons não é o
oxigênio.

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:

37. Aceptor final de elétrons diferente do O
2

Exemplos:

C
6H
12O
6 + 12 NO
3
-
 6CO
2 + 6H
2O + 12NO
2
-
2 lactato + SO
4
=
+ 4H
+
 2CO
2 + S
=
+ H
2O + 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.

38. Fotossíntese
Síntese de substância de carbono (glicose) em presença de luz

A fotossíntese não requer necessariamente a presença de oxigênio, ou seja,
pode ocorrer anaerobicamente.

Essas bactérias não usam água mas usam H
2 ou gás H
2S ou outras moléculas
doadoras de hidrogênio
Quimiossíntese
Realizada por poucas bactérias autótrofas
Síntese de substâncias orgânicas a partir da energia liberada em certas reações
químicas inorgânicas
Essas bactérias se desenvolvem em ambientes desprovidos de luz e matéria
orgânica pois necessitam de energia obtida de matéria inorgânica

39. Quimiolitotrofia
Características

Elétrons são removidos 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 CO
2 em carboidrato

40. Exemplos de doadores de elétrons:

Amônia (NH
4
+
)  Nitrito (NO
2
-
) nas Nitrosomonas
Nitrito (NO
2
-
)  Nitrato (NO
3
2-
) nas Nitrobacter
Sulfeto de hidrogênio (H
2S)  Enxofre (S
o) em Thiobacillus, Beggiatoa,
Thiomargarita
Enxofre (S
o)  Sulfato (SO
4
2-
) em Thiobacillus
Hidrogênio (H
2)  Água (H
2O) em Alcaligenes
Thiomargarita namibiensis: uma bactéria gigante

41. Exemplos de receptores de elétrons

Oxigênio (O
2)  água (H
2O)
em diversos organismos

Dióxido de carbono (CO
2)  Metano (CH
4
)
nas bactérias metanogênicas
4H
2 + CO
2 => CH
4 + 2H
2O
Delta G° = -31 kcal/mol

42. Utilização da energia
Açúcares
Aminoácidos
Nucleotídeos
Ácidos 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.

43. Integração do catabolismo e anabolismo

45. Ex. Fornecimento de precursores para biossíntese aminoácidos