Metabolismo microbiano

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

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

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

4. 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.

5. O ATP é o composto de alta energia mais importante nos seres vivos. Apesar disso sua concentração nas células é relativamente baixa, sendo consumido ao mesmo tempo em que é produzido. Para o armazenamento de energia por períodos longos, os microrganismos produzem polímeros insolúveis que podem ser oxidados posteriormente. Ex.: polímeros de glicose (amido e glicogênio), polímeros lipídicos, PHAs (biopoliéster). Ralstonia eutropha

6. Utilização de energia • A célula produz energia para: • Síntese de seus componentes: parede, membrana, etc. • síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, etc. • reparos e manutenção • crescimento e multiplicação • acumulação de nutrientes e excreção de produtos indesejáveis • motilidade

7. Vias metabólicas • As reações metabólicas ocorrem de forma gradual (etapas) nas quais os átomos dos intermediários são re-arranjados até a formação do produto final. • Cada etapa requer uma enzima específica • A sequência das reações, começando pelos primeiros ingredientes até ao produto final, se denomina VIA METABÓLICA.

8. As reações de oxi-redução (redox) • Nas vias metabólicas é importante considerar as reações de oxidação e redução: • - Um composto se torna reduzido quando: • Ganha elétrons • Se liga a um átomo menos eletronegativo • E geralmente isto ocorre quando se liga ao hidrogênio • Um conposto se torna oxidado quando: • Perde elétrons • Se liga a um átomo mais eletronegativo • Isto geralmente ocorre quando se liga ao oxigênio • 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 CO2) dispõem de pequeno potencial energético em suas ligações.

9. OXIDAÇÃO-REDUÇÃO DE COMPOSTOS DE ALTA ENERGIA O doador de elétrons é referido como fonte de energia. A quantidade liberada de energia depende da natureza do doador quanto do receptor.

10. Transportadores de elétrons • 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 metábólico.

11. 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. Estágios das reações: 1 - remoção dos elétrons 2 - transferência 3 - adição ao aceptor final

12. 2. Classes microbianas

13. Fluxo da energia Fosforilação Rendimento de até 45% A concentração de ATP na célula é baixa. Numa célula em plena atividade chega a 2 mM

14. 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) 1. Respiraçãoaeróbia: 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

15. 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. Características: • Oxidação parcial da glicose a ácido pirúvico • Pequena quantidade de ATP é produzida • Pequena quantidade de NAD é reduzida a NADH

16. Diversas vias glicolíticas • Quatro vias glicolíticas importantes nos diferentes microrganismos: • 1. Via Embden-Meyerhoff-Parnas (EMP) • Glicólise “clássica” • Presente em todos os organismos vivos • 2. Via Hexose monofosfato (HMP) • Presente em quase todos os organismos • Responsável pela síntese das pentoses usadas na síntese de nucleotídios • 3. Via Entner-Doudoroff (ED) • Encontrada nas Pseudomonas e gêneros relacionados • 4. Via Fosfoketolase (FK) • Encontrada no gênero Bifidobacterium e Leuconostoc

17. 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, 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

18. 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.

19. As 3 etapas da via respiratória

20. Fosforilação oxidativa Geração da força protomotiva Sistema O/R: próximo membro do sistema tem maior capacidade para receber elétrons

21. 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 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

22. É uma variação alternativa da respiração aeróbia: o aceptor de elétrons não é o oxigênio. • Uma implicação é que 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. Respiração anaeróbia Uma aplicação importante que ganhou muita atenção nos dias atuais éa utilização de processos anaeróbios no tratamento de efluentes:

23. 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, só ocorre em ambientes onde o oxigênio é escasso, como nos sedimentos ou próximo de nascentes hidrotermais submarinas.

24. Reação de oxidação-redução internamente balanceada. Ausência de aceptores externos. 2. Fermentação(também é uma forma de respiração anaeróbia) 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.

25. Característicasdafermentação: • Ácidopirúvico é reduzido a ácidosorgânicos e álcoois • NADH é oxidado a forma NAD: essencialparaoperaçãocontinuadada via glicolítica • O2não é necessário • Nãoháobtençãoadicional de ATP. • Gases (CO2 e/ou H2) podem ser produzidos

26. 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

27. Fermentações

28. FototropiaA utilização da energia da luz - Fotossíntese • a. Fotossíntese oxigênica • Presente nas cianobactérias e nos cloroplastos dos eucariontes (microalgas por ex.) Doador de elétrons é H2O: sua oxidação gera o O2 como subproduto. • Dois fotossistemas: PSI e PSII • Maior função é produzir NADPH e ATP para a fixação de C (produção de matéria orgânica) Cloroplasto Cianobactérias Fotossistemas em lamelas

29. Fotossíntese oxigênica Cianobactérias

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

31. Fotossíntese anoxigênica • Doadores de elétrons variam: • H2S or So nas bactérias verdes e púrpuras sulfurosas • 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

32. Bactérias verdes Bacterioclorofilas e carotenóides Yellowstone Park,USA

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

35. Quimiolitotrofia • Características • Elétronssãoremovidas de doadoresinorgânicos. • Os elétronspassamatravés de umamembranaligada a um sistema de transporte de elétronsgeralmenteacoplado a síntese de ATP e NADH. • Os elétronsfinalmentepassampara um receptor final • ATP e NADH sãousadospara converter CO2emcarboidrato

36. Exemplos de doadores 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

37. 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

38. 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 e GTP. • As unidades estruturais são unidas para formar substâncias complexas da célula. Açúcares Aminoácidos Nucleotídeos Ácidos graxos

39. Integração do catabolismo e anabolismo

41. Ex. Fornecimento de precursores para biossíntese aminoácidos