Microbiologia Geral - Metabolismo Microbiano

Aula da disciplina de Microbiologia Geral do Prof. Dr. Juliano de Carvalho Cury no CSL-UFSJ

1. 15/01/2014
1
Metabolismo microbiano
CO
2
Compostos
orgânicos
Fonte de Energia
Química
Quimioautotróficos
Fotoautotróficos
Quimioheterotróficos
Fotoheterotróficos
Luz
Fonte de
Carbono
•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 (contida em ligações químicas
das moléculas)
luminosa (energia radiante que será
convertida em energia química)
•Requerimentos de energia:
Sistema de
armazenamento
e transferência
de
E
Componentes celulares
como proteínas (enzimas),
DNA, RNA, carboidratos,
lipídeos, etc.
Produtos da degradação
servem como unidades
para a produção de
compostos celulares
Síntese
Compostos e
estruturas
Degradação
Quebra de
substratos ou
nutrientes
E liberada
E requerida
Crescimento celular,
reprodução,
manutenção
e movimento
Quimiotróficos
(utilizam substâncias
químicas
como fonte de energia)
Quimiolitotróficos
C= CO
2
Quimiorganotróficos
C=orgânico
Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte
de energia e carbono

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Fotoautotrófico = plantas, cianobactérias, algas verdes
Fotoorganotrófico/hetero = bactérias púrpuras, exceto as abaixo
Fotolitotróficas = bactérias púrpuras metabolizantes do S
Quimioautotrófico = Archaea metanogênicas
Quimiorganotrófico/hetero = maioria bactérias e fungos
Quimiolitotrófico = bactérias nitrificadoras
Energética e enzimas
•Catalisadores das reações
•Aumentam as velocidades de reação de 10
8
a 10
20
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 aseao seu substrato
•Celulase: degradam celulose
•Glicose-oxidase: catalisa a oxidação da glicose
•Ribonuclease: decompõe acido ribonucleico
•Lisozima: cliva o peptideoglicano
Catalise
Muitas reações que
libreram energia
não ocorrem
espontaneamente,
necessitando de
ativação dos
reagentes
COMPLEXO ENZIMA-SUBSTRATO Compostos ricos em energia: armazenamento e
transferência de energia (imediata)
•ATP= adenosina trifosfato
•ADP= adenosina difosfato
•Fosfoenolpiruvato
•Glicose-6-fosfato
•Coenzimas: : AcetilAcetil CoACoA, NAD, NADH, NADPH, NAD, NADH, NADPH

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Armazenamento de energia - catabolismo
OATPéocompostodealtaenergiamaisimportantenosseresvivos.
Apesar disso, sua concentração nas células é relativamentebaixa.
Para o armazenamento de energia por períodos longos, os
microrganismos produzem polímeros insolúveis.
Ex.: polímeros de glicose (amido e glicogênio), polímeros lipídicos, PHAs
(biopoliéster).
Compostos ricos em energia: armazenamento e
transferência de energia (a longo prazo)
•Procariotos:
–Glicogenio
–Poli-β-hidroxibutirato
–Poli-idroxialcanoatos
–S (elementar)
•Eucariotos
–Poliglicose na forma de amido
–Lipídeos na forma de gorduras
•Fermentação
•Respiração
Geração de ATP por microrganismosGeração de ATP por microrganismos
Síntese de ATP acoplada
a reações de óxido-redução
Ausência de aceptores
exógenos de elétrons
O
2ou outro composto como
aceptor exógeno de elétrons
Menos E
Mais E
Oxidação = perda de e
-
(liberam energia)
Redução = ganho de e
-
(requerem energia)
As reações de oxi-redução (redox)
- Um composto se torna oxidadoquando:
1. Perde elétrons
2. Se liga a um átomo mais eletronegativo
3. Isto geralmente ocorre quando se liga ao oxigênio
- Um composto se torna reduzidoquando:
1. Ganha elétrons
2. Se liga a um átomo menos eletronegativo
3. E geralmente isto ocorre quando se liga ao hidrogênio
Formas reduzidas de C (carboidratos, metano, lipídios, álcoois) são
importantes estoques de energia em suas ligações.
Formas oxidadas de C (cetonas, aldeídos, ácidos carboxílicos e CO
2)
dispõem de pequeno potencial energético em suas ligações.
Mecanismos para conservação de energia
(Síntese de ATP)
Os quimiotróficosapresentam dois mecanismos conhecidos:
1. Respiração: atuam aceptores externos de elétrons (fosforilação oxidativa)
Podendo ser:
a) Aeróbia: o aceptor externo é o oxigênio
b) 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

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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 GTP
guanosina 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 Krebs
Ocorre no citoplasma (procariotos) e nas mitocôndrias (eucariotos).
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

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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 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
Respiração anaeróbia
SÉ 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 O
2.
• O uso de aceptores alternativos permitem os microrganismos respirarem em
ambientes sem oxigênio, sendo de extrema importância ecológica.
• Oxidação de substratos orgânicos ou inorgânicos:
C
6H
12O
6+ 12 NO
3
-
→6CO
2+ 6H
2O + 12NO
2
-
2 lactato + SO
4
=
+ 4H
+
→2 acetato + 2CO
2+ S
=
+ H
2O
• Quantidade de energia produzida é menor
Fermentação (também é uma forma de respiração anaeróbia) –
fosforilação a nível de substrato
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:
SÁcido pirúvico é reduzido a ácidos orgânicos e álcoois
SNADH é oxidado a forma NAD: essencial para operação continuada da via
glicolítica
SO
2não é necessário
SNão há obtenção adicional de ATP.
SGases (CO
2e/ou H
2) podem ser produzidos
SProdução líquida de apenas 2 ATP
Espécie microbiana Principal produto da fermentação
Acetivibrio cellulolyticusÁcido acético
Actinomyces bovis Ácidos acético, fórmico, láctico, etc.
Clostridium acetobutylicumAcetona, butanol, etanol, ácido fórmico, etc.
Enterobacter aerogenesEtanol, ácido fórmico, CO
2, etc.
Escherichia coli Etanol, ácidos láctico, acético, fórmico, succínico, etc.
Lactobacillus brevis Etanol, glicerol, CO
2, ácidos láctico, acético, etc.
Streptococcus lactis Ácido láctico
Succinimonas amylolyticaÁcidos acético e succínico
Produtos da fermentação

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Fototrofia
Utilização da energia da luz - Fotossíntese
a) Fotossíntese oxigênica
iPresente nas cianobactérias e nos cloroplastos dos eucariontes (algas por ex.)
Doador de elétrons é H
2O: sua oxidação gera o O
2
sDois fotossistemas: PSI e PSII
sMaior função é produzir ATP e NADPH para a fixação de carbono.
Cianobactérias Cloroplasto de eucariotos
Fotossíntese oxigênica
Cianobactérias
O NADPH é utilizado para reduzir o CO
2no processo de fixação do
carbono
Fotofosforilação
A energia da luz é utilizada para a síntese de ATP
b) Fotossíntese anoxigênica
sDoadores de elétrons variam:
tH
2S or S
onas bactérias verdes e púrpuras sulfurosas
tH
2ou compostos orgânicos em bactérias verdes e púrpuras não sulfurosas
sApenas um fotossistema
sBactérias verdes tem foto-sistema semelhante ao PSI
tBactérias púrpuras tem foto-sistema semelhante ao PSII
sPrincipal função é produzir ATP via fotofosforilação
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
Biossíntese de Compostos Nitrogenados
N
2 N inorgânico (NH
3
+
)
Aminoácidos
Arranjo de aminoácidos
Proteínas/enzimas Purinas e pirimidinas
Nucleotídeos
Ácidos nucléicos (DNA, RNA)
Fornecimento de precursores de aminoácidos
(Madigan et al., 2004)
Biossíntese de nucleotídeos e ácidos nucléicos
eNucleotídeo = base nitrogenada-pentose-fosfato
ribose = ribonucleotídeos (RNA)
desoxirribose = desoxirribonucleotídeos (DNA)
eAtivação dos nucleotídeos (ATP)
eSíntese de ácidos nucléicos a partir de nucleotídeos ativados
Biossíntese de nucleotídeos e ácidos nucléicos

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Biossíntese de carboidratos
Triose
Pentoses e hexoses
Nucleotídeos Polissacarídeos
(peptidoglicano,
celulose, amido, etc.)
CO
2
RNA e DNA
Biossíntese de ácidos graxos
Ácido pirúvico
Acetil CoA e Malonil CoA
Ácidos graxos de cadeia longa
Glicose
Fosfolipídios
Glicólise
Glicerol fosfato
Outras utilizações de energia
eTransporte
eMotilidade
eReparos
eProdução de estruturas de resistência (endosporos)