Metabolismo microbiano

1. Metabolismo microbiano Conceitos básicos Classes microbianas Quimiotrofia Fototrofia Quimiolitotrofia Integração metabólica

2. 1.Conceitos básicos • Metabolismo • Do grego metabole = mudança, transformação Conjunto das reações bioquímicas que ocorrem dentro da célula Catabolismo BIODEGRADAÇÃO Anabolismo BIOSSÍNTESE Energia compostos orgânicos compostos inorgânicos luz

3. Estocagem da energia • A energia liberada das reações deve ser conservada para utilização pelas células. • A energia é armazenada em ligações químicas de alta energia (fosfato) em moléculas simples, de forma a ser prontamente utilizável.

4. O ATP é o composto de alta energia mais importante nos seres vivos. Apesar disso, sua concentração nas células é relativamente baixa (2 mM). Para o armazenamento de energia por períodos longos, os microrganismos produzem polímeros insolúveis. Ex.: polímeros de glicose (amido e glicogênio), polímeros lipídicos, PHAs (biopoliéster).

5. Utilização de energia

6. Via metabólica • É a sequência das reações, começando pelos primeiros ingredientes até o produto final. • As reações metabólicas ocorrem em etapas, nas quais os átomos dos intermediários são re-arranjados até a formação do produto final. • Cada etapa requer uma enzima específica.

7. As reações de oxi-redução (redox) • Um composto se torna oxidado quando: • Perde elétrons • Se liga a um átomo mais eletronegativo • Isto geralmente ocorre quando se liga ao oxigênio • - Um composto se torna reduzido quando: • Ganha elétrons • Se liga a um átomo menos eletronegativo • 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 CO2) dispõem de pequeno potencial energético em suas ligações.

8. Oxidação-redução de compostos em sistemas biológicos O doador de elétrons é referido como fonte de energia. A quantidade liberada de energia depende da natureza do doador quanto do receptor

9. Transportadores de elétrons • É necessário o transporte de elétrons de uma parte para outra da via metabólica. • Moléculas relativamente pequenas realizam o transporte. • Tipos de transportadores: • Que se difundem livremente: NAD+, NADP+ (nicotina-adenina-dinucleotídeo) • Associados à membrana: • Flavoproteínas FMN/FAD • Proteínas com Fe e S • Quinonas (não protéico) • Citocromos (protéico) • NAD+ + 2H+ + 2e- → NADH + H+ • alto potencial redutor As células contém uma quantidade limitada de NAD, sendo que NADH2 precisa ser continuamente re-oxidada para manter o processo metábólico.

10. 2. Classes microbianas

11. Fluxo da energia • A produção de ATP é feita por 3 vias: • Fosforilaçãooxidativa • Fosforilação em nível de substrato • Fotofosforilação Fosforilação Rendimento de até 45%

12. 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 oxigênio b) Anaeróbia: aceptores diferentes do oxigênio (nitrato, sulfato, carbonato, ...) 2. Fermentação: ocorre na ausência de aceptores externos de elétrons (fosforilação em nível de substrato) 1a) Respiração aeróbia É o procedimento mais comum às células e compreende 3 etapas: • Piruvato (glicólise quando o substrato é a glicose) • Ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs) • Cadeia respiratória

13. I etapa: Piruvato (via glicolítica) É considerada a via metabólica mais primitiva, presente em todas as formas de vida atuais. Ocorre no citoplasma das células. Características: • Oxidação parcial da glicose a piruvato • Pequena quantidade de ATP é gerada • Pequena quantidade de NAD é reduzida a NADH H2O

14. Existem diversas vias glicolíticas • Viasglicolíticas importantes nosdiferentes microrganismos: • Via Embden-Meyerhoff-Parnas (EMP) • Glicóliseclássica • Presente em todososorganismosvivos • 2. Via Hexosemonofosfato (HMP) • Presente em quasetodososorganismos • Responsávelpelasíntese das pentosesusadasnasíntese de nucleotídios • 3. Via Entner-Doudoroff (ED) • EncontradanasPseudomonas e gênerosrelacionados • 4. Via Fosfoketolase (FK) • Encontrada no gêneroBifidobacterium e Leuconostoc

15. II etapa: Ciclo de Krebs Ocorre no citoplasma (procariotos) e nas mitocôndrias (eucariotos). Reações preparatórias: formação de composto chave do processo 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

16. III etapa: Cadeia respiratória (sistema de transporte de elétrons) Ocorre ao nível da membrana citoplasmática (procariotos) e na membrana das mitocôndrias (eucariotos). 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. Como o fluxo de elétrons é utilizado para conservar a energia?

17. Fosforilação oxidativa Geração da força protomotiva

18. As 3 etapas da via respiratória

19. Resumo 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

20. 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. 1b) Respiração anaeróbia Uma aplicação importante que merece atenção é a utilização de processos anaeróbios no tratamento de efluentes:

21. Aceptor final de elétrons diferente do O2 Exemplos: C6H12O6 + 12NO3- 6CO2 + 6H2O + 12NO2- 2 lactato + SO4= + 4H+  2CO2 + S= + H2O + 2 acetato A respiração anaeróbia: exclusividade dos procariotos Ocorre em ambientes onde o oxigênio é escasso, como nos sedimentos ou próximo de nascentes hidrotermais submarinas.

22. Reação de oxidação-redução internamente balanceada. Ausência de aceptores externos. 2. Fermentação A concentração de NADH nas células é baixo, precisando ser re-oxidado para não cessar a via glicolítica. A reduçãodo piruvato a etanol ou outros produtos de restabelece o NAD e permite a continuidade da glicólise . Produção líquida de apenas 2 ATP.

23. Características da fermentação: • Ácidopirúvico é reduzido a ácidos orgânicos e álcoois • NADH é oxidado a forma NAD: essencial para operaçãocontinuada da via glicolítica • O2não é necessário • Nãoháobtençãoadicional de ATP. • Gases (CO2 e/ou H2) podem ser produzidos

24. 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: • Síntese de compostos orgânicos importantes

25. Fermentações

26. FototropiaA utilização da energia da luz - Fotossíntese • a) Fotossíntese oxigênica • Presente nas cianobactérias e nos cloroplastos das algas. Doador de elétrons é H2O: sua oxidação gera o O2 • Dois fotossistemas: PSI e PSII • Maior função é produzir ATP e NADPH para a fixação de carbono. Cloroplasto de eucariotos Cianobactérias Fotossistemas em lamelas

27. Fotossíntese oxigênica Algas e Cianobactérias

28. Fotofosforilação A energia da luz é utilizada para a síntese de ATP e NADPH O NADPH é utilizado para reduzir o CO2 no processo de fixação do carbono

29. b) Fotossíntese anoxigênica • Doadores de elétrons variam: • H2S or So nas bactérias sulfurosas verdes e púrpuras • H2 ou compostos orgânicos em bactérias verdes e púrpuras não sulfurosas • Apenas um fotossistema • Bactérias verdes tem foto-sistema semelhante ao PSI • Bactérias púrpuras tem foto-sistema semelhante ao PSII • Principal função é produzir ATP via fotofosforilação

30. Bactérias sulfurosas, verdes e púrpuras Bacterioclorofilas e carotenóides Yellowstone Park,USA

31. Fotossíntese anoxigênica (bactérias púrpuras) Fotofosforilação ciclica Geração de poder redutor para a redução do CO2.

32. Quimiolitotrofia • Características: • Elétrons sãoremovidos de doadoresinorgânicos (por ex. H2). • Os elétrons passamatravésdamembranapor um sistema de transportegeralmenteacoplado a síntese de ATP e NADH. • Os elétrons finalmentepassam para um receptor final. • ATP e NADH são usados para converter CO2 em carboidrato.

33. Exemplos de doadores inorgânicos de elétrons: • Amônia (NH4+)  Nitrito (NO2-) nas Nitrosomonas • Nitrito (NO2-)  Nitrato (NO32-) nas Nitrobacter • Sulfeto de hidrogênio (H2S)  Enxofre (So) em Thiobacillus, Beggiatoa, Thiomargarita • Enxofre (So)  Sulfato (SO42-) em Thiobacillus • Hidrogênio (H2)  Água (H2O) em Alcaligenes Thiomargarita namibiensis: uma bactéria gigante

34. Exemplos de receptores de elétrons • Oxigênio (O2)  água (H2O) em diversos organismos • Dióxido de carbono (CO2)  Metano (CH4)nas bactérias metanogênicas 4H2 + CO2=> CH4 + 2H2O Delta G° = -31 kcal/mol

35. Utilização da energia • Generalidades: • As vias começam com a síntese das • unidades estruturais simples. • As unidades estruturais são ativadas com a energia de moléculas como oATP. • As unidades estruturais são unidas para formar substâncias complexas da célula.

36. Integração do catabolismo e anabolismo

38. Ex. Fornecimento de precursores para biossíntese aminoácidos