Metabolismo e Processos Microbianos

1. Pós-graduação em Agroecossistemas Disciplina: Ecologia Microbiana Metabolismo e Processos Microbianos

2. 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 • luminosa E

3. 2. Produção de Energia (E) • Requerimentos de energia:

4. Crescimento celular, reprodução, manutenção e movimento Componentes celulares como proteínas (enzimas), DNA, RNA, carboidratos, lipídeos, etc. Degradação Síntese Compostos e estruturas Sistema de armazenamento e transferência de E E liberada E requerida Quebra de substratos ou nutrientes Produtos da degradação servem como unidades para a produção de compostos celulares

5. Tipos de energia • Energia química – energia contida em ligações químicas das moléculas • Energia radiante (energia da luz) – deve ser convertida em energia química

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

7. RotasMetabólicasparaAquisição de Energia, ForçaRedutora e Intermediários de CarbonoparaBiossíntese Quanto a Fonte de Energia Quanto à forçaredutora Quanto a fonte de Carbonopara o Anabolismo Moreira & Siqueira, 2006

8. Processos do Fluxo de Energia, Carbono e Nutrientes no Sistema Solo-Planta-Organismos Moreira & Siqueira, 2006

9. Produção de CompostosIntermediáriosqueIntegramosProcessosBioquímicos dos OrganismosAutotróficos e Heterotróficos Moreira & Siqueira, 2006

10. 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

11. Catalise e enzimas Reação exergônica

12. COMPLEXO ENZIMA-SUBSTRATO

13. Enzimas do Solo São proteínas com açãocatalítica e altaespecificidadefuncionalqueviabilizamreaçõesquesustentam o metabolismocelular. Origem:microrganismos, plantas e animais • Classificação: • Quantoao local de atividade • - Extracelulares • Intracelulares • Quanto à posição de ataque no polímero • - Exoenzima • - Endoenzima • Características: • Alta especificidade de reação • Nãosãoconsumidasnareação • Sujeitas à indução, ativação, inibição, desnaturação e biodegradação • Alta resistência (altaestabilidadetérmica e resistênciaaoataque de proteases)

14. Importância das Enzimas no Solo • Decomposição de resíduosorgânicos; • Fertilidade do Solo: As enzimastêmparticipaçãoessencial no ciclo dos nutrientes. Adubaçãoorgânica, rotação de culturas e presença de vegetação (rizosfera) favorecem a atividadeenzimática, podendotercorrelaçãopositiva com produtividadeouqualidade do solo; • Eficiência no uso de fertilizantes: Ex. A urease é necessáriapara o aproveitamento do N. Porémaplicaçõesincorretas de fertilizantes a base de uréiaaumentam as perdas de N porvolatilização; • ÍndicesEnzimáticosIndicadores de Qualidade (Há a necessidade de pesquisasparaestabelecer se estesíndicestêmaplicaçõesagronômicas) • Indicadores: • - Interações entre plantas • - Estado de oxi-redução do solo • - Estratificadorecológico • - Indicadorqualidade do solo/presença de poluentes

15. 3. MetabolismoMicrobiano “Metabolismo se refere à obtenção de C e energiaparacrescimentocelular, manutenção e sobrevivência” • MetabolismoDegradativo • Liberação de energia • (catabolismo) Processossimultâneos, controladosgeneticamente (enzimas) e porfatoresexternos Metabolismo Central • Metabolismo de Síntese • Consumo de energia • (anabolismo)

16. Compostos ricos em energia: armazenamento e transferência de energia (imediata) • ATP = adenosina trifosfato • ADP = adenosina difosfato • Fosfoenolpiruvato • Glicose-6-fosfato • Coenzimas: AcetilCoA, NAD, NADH, NADPH

17. Armazenamento de energia Ligacoes tioéster (Madigan et al., 2010)

18. 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 a 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

19. 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. Características: • Oxidação parcial da glicose a piruvato • Pequena quantidade de ATP é gerada (produção líquida de 2 ATP) • Pequena quantidade de NAD é reduzida a NADH

20. 2ª 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

21. 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.

22. Fosforilação oxidativa Geração da força protomotiva

23. As 3 etapas da via respiratória

24. 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

25. 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 1b) Respiração anaeróbia

26. Reação de oxidação-redução internamente balanceada. Ausência de aceptores externos. 2. Fermentação(também é uma forma de respiração anaeróbia. Ocorre no citossol) A concentração de NAD+ nas células é baixo, precisando ser re-oxidado para não cessar a via glicolítica. A reduçãodo piruvato a etanol ou outros produtos restabelece o NAD e permite a continuidade da glicólise . Produção líquida de apenas 2 ATP.

27. 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

28. Maior potencial redutor (fornecer e-) Maior potencial oxidante (receber e-)

29. CrescimentoMicrobianoemRelaçãoaoConsumo de Substrato, Geração de Energia, ProdutosMetabólicos e Biomassa Taxacrescimentoespecífico Dependedataxa de decomposição e eficiência de conversão do carbonoembiomassa (vertabela 4.2) Coeficiente manutenção Crescimento real Biomassa produzida - Aerobiose= O2comoaceptor de e- - Anaerobiose= Formasinorgânicas de N, S, C e metais. Moreira & Siqueira, 2006

30. 4. Os ProcessosMicrobianos e a Manutenção dos Ecosistemas “Processos - sequência de reaçõesatravés das quais se realizamtransformaçõesdamatéria” - No solo ocorreminúmerosprocessos com alto grau de complexidade, sendoosmaisimportantesosbioquímicos, resultantesprincipalmentedaatividade dos organismosmicroscópicosquecrescemnesteambiente - Os organismos do solo sãoresponsáveisdiretaouindiretamenteporprocessosbioquímicosdiversosquecontrolam as transformações dos elementosquímicos e transferências de energia no sistema solo-planta-atmosfera Base de sustentação e produtividade dos ecossistemasterrestresemequilíbrio

32. ProcessosBiológicos do Solo: Suas Inter-relações e Funções no Ecossistema Siqueira & Trannin, 2003

33. 5. BiomassaMicrobiana Parte viva damatériaorgânica do solo, compostaportodososorganismosmenoresque 5.10-3mm3 – Fungos, bactériasactinomicetos, leveduras e microfauna (protozoários) • Cerca de 98% do C-orgânico do solo é matériaorgânicamorta • 2% do C-orgânico do solo é compostopelafração viva. 5 a 10% - Raízes 15 a 30% - Macrofauna 60 a 80% - Microrganismos (1 a 5% da MOS total) BIOMASSA

34. Transformações e Ciclagem de C, N, P e S no Sistema Solo-PlantaMediadospelaMicrobiota do Solo Moreira & Siqueira, 2006

35. CaracterísticasdaBiomassaMicrobiana • 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; • Destinoinicial do C emtransformação; • Principal fonte de enzimas do solo; • Atividadecatalisadora – De 15 a 30% dapopulação 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 (poucoconhecida) • Os valores de biomassavariammuitocom o tipo de solo, vegetação e clima

36. CaracterísticasdaBiomassaMicrobiana (cont…) • A biomassamicrobianarepresenta o maiorreservatórioproporcionaldamatériaorgânicaativaem solos tropicaisquenaqueles de climatemperado; • A quantidade de biomassaencontrada no solo é de certomodo, emdeterminado tempo, relacionada à quantidade de C queeste solo recebe; • A quantidade de C residual nabiomassadependedadegradabilidade do substrato, variando de 20-40% C (prontamenteassimiláveis) no período de 8-12 semanas. Sucessão Trófica Obs: Apenas 20% de C dalignina é perdidona forma de CO2após um ano de decomposição Baixaconversãoembiomassa, permanecendorecalcitrante no solo

37. CaracterísticasdaBiomassaMicrobiana (cont…) • Menoresvalores de biomassapodem ser encontradosem: áreasdegradadas, várzeas, solos sob cultivointensivooucontaminados com metaispesados; • A biomassa é um reservatóriolábil de nutrientes no solo quereciclamuitorapidamente, tornando-osdisponíveispara as plantas • A manutençãodacobertura vegetal do solo e o uso de corretivos e fertilizantes (especialmente N e P) resulta no enriquecimentodabiomassa. Estapossibilidade é de granderelevânciapara a suadinâmicaem solos tropicais, nosquais se verificaelevadacapacidade de retenção de P nafração mineral, reduzindosuadisponibilidadepara as plantas. QuocienteMetabólico (qCO2) • Refere-se à liberação de CO2porunidade de biomassaporcerto tempo (C-CO2/C-mic h-1), o quecorresponde a um índice de atividadeheterotróficaespecíficadabiomassa. • Valoreselevados de qCO2indicamque a populaçãomicrobianaencontra-se sob estresse, ouseja, háumanecessidadeenergéticamaiselevadaparamanutençãodesta.

39. Densidade e AtividadeMicrobianaem Solo ContaminadoporMetaisPesados Solo Contaminado: Emboraháumamenorquantidade de microrganismos, há um consumomaior de energiaparamanutenção (qCO2 correlacionado com osteores de metaispesados) Moreira & Siqueira, 2006