Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Metabolismo II Livia Seno Ferreira Camargo livia.camargo@ufabc.edu.br Os microrganismos podem ser classificados METABOLICAMENTE de acordo com seus padrões nutricionais (fonte de energia e carbono) Heterotróficos (depende de outros) – microrganismos que utilizam composto orgânico como fonte de carbono. Ex: carboidratos Autotróficos (próprio alimento) – Microrganismos que utilizam composto inorgânico como fonte de carbono. Ex: CO2 Quimiotróficos – microrganismos que utilizam compostos químicos (orgânicos ou inorgânicos) como fonte de energia Fototróficos – microrganismos que utilizam a luz como fonte de energia Tipo nutricional Fonte de energia Fonte de carbono Exemplos Fotoautotrófico Luz CO2 Bactérias fotossintetizantes: cianobactérias, púrpuras e verdes Foto-heterotrófico Luz Compostos orgânicos Bactérias fotossintetizantes: púrpuras e verdes Quimioautotrófico Compostos inorgânicos (H2, NH3, NO2, H2S) CO2 Maioria das arqueias e algumas bactérias. Quimio-heterotrófico Compostos orgânicos Compostos orgânicos Maioria das bactérias e algumas arqueias. Classificação nutricional de acordo com as fontes de energia e carbono Classificação nutricional mais simples • Fototróficos • Quimiorganotróficos (composto orgânico) • Quimiolitotróficos (composto inorgânico) Energia liberada na oxidação de compostos orgânicos ou inorgânicos é conservada na célula em forma de ATP. Energia para quê? A Célula deve realizar diversos tipos de trabalho: - Biossíntese das partes estruturais da célula, tais como paredes celulares, membrana ou apêndices externos; - Síntese de enzimas, ácidos nucleicos, polissacarídeos, fosfolipídeos e outros componentes químicos da célula; - Crescimento; - Armazenamento de nutrientes; - Motilidade. Metabolismo quimiorganotrófico Fermentação e Respiração Via metabólica Fermentação e respiração: principais estratégias de conservação de energia em quimiorganotróficos. • Podem ser mecanismos exclusivos ou facultativos. • Nos microrganismos facultativos, há respiração quando o O2 está disponível (maior produção de ATP). Fermentação: catabolismo anaeróbio na qual o composto orgânico é tanto doador quanto aceptor de elétrons. Baixa produção de energia. Respiração: catabolismo anaeróbio ou aeróbio na qual o composto orgânico é oxidado e o O2 ou molécula alternativa é o aceptor final de elétrons. Fases da respiração celular: 1) Glicólise: oxidação da glicose a ácido pirúvico com produção de ATP e NADH. 2) Ciclo de Krebs: oxidação de acetil-CoA (um derivado do ácido pirúvico) a dióxido de carbono, com produção de ATP, NADH e FADH2. 3) Fosforilação oxidativa: Cascata de reações de oxirredução envolvendo uma série de transportadores de elétrons. Gera grande quantidade de ATP • Via de catabolismo da glicose comum aos processos iniciais de fermentação e respiração; • Produção de ATP sem participação do O2; • Mecanismo para produção de ATP evolutivamente mais antigo; • Gasto de 2 ATPs nas etapas iniciais; • Produção de 4 moléculas de ATP e duas moléculas de NADH; • 1 molécula de glicose (6C) é convertida em duas moléculas de piruvato (3C). Glicólise (via de Embden-Meyerhof) Vias alternativas à Glicólise “Muitas bactérias possuem outra via além da glicólise para a oxidação da glicose”: • via das pentoses-fosfato; • via alternativa é a Entner-Doudoroff. Produz pentoses intermediárias essenciais, utilizadas na síntese de (1) ácidos nucleicos, (2) glicose a partir de dióxido de carbono na fotossíntese e em (3) certos aminoácidos. Pentoses-fosfato Vias alternativas à Glicólise ● Produz 2 NADPH e 1 ATP ● As bactérias que têm as enzimas para a via de Entner- Doudoroff podem metabolizar a glicose sem realizar a glicólise ou a via das pentoses-fosfato. ● biossíntese de aminoácidos ● Bactérias Gram-negativas Entner-Doudoroff O destino das vias é determinado pelas necessidades relativas das células por pentoses-fosfato, NADPH e ATP. Destino das moléculas de ácido pirúvico : fermentação (anaeróbio) ou respiração (aeróbio). Respiração celular Respiração – Ciclo do ácido cítrico ou ciclo de Krebs. Os derivados do ácido pirúvico são oxidados e as coenzimas são reduzidas. O ácido pirúvico não entra diretamente no ciclo de krebs. Perde CO2 tornando- se um composto de 2 carbonos: Acetil, que se liga à CoA por ligação de alta energia 02 Acetil CoA que geram 4 CO2, 6 NADH, 2 FADH2 e 2 ATP Intermediários - precursores da via de biossíntese Respiração – Cadeia transportadora de elétrons • Transferência de elétrons é energeticamente favorável; • Os elétrons são transferidos ao longo da cadeia passo a passo, de forma gradual. A molécula doadora sempre terá uma tendência maior a doar elétrons do que a aceptora. Respiração – Cadeia transportadora de elétrons • Proteínas de membrana carreadoras de elétrons: flavinas • Em eucariontes ocorre na membrana interna das mitocôndrias e em procariontes na membrana citoplasmática. • Em bactérias, os carreadores de membrana podem ser diferentes e a ordem também Kracke Frauke, Vassilev Igor, Krömer Jens O. Microbial electron transport and energy conservation – the foundation for optimizing bioelectrochemical systems. Frontiers in Microbiology, v.6, 2015 Respiração – Síntese de ATP • Durante o transporte de elétrons, alguns carreadores bombeiam prótons H+ para a superfície externa da membrana; • Os dois lados da membrana diferem em carga e pH, formando um potencial eletroquímico através da membrana – força próton-motiva; • A força próton motriz é utilizada para síntese de ATP - maior quantidade de ATP gerado Como o gradiente de prótons gera a produção de ATP ▪ Fluxo de prótons H+ de volta para o citosol ocorre através do canal de proteínas que contém a enzima ATP-sintase. ▪ Quando este fluxo ocorre, energia é liberada e utilizada pela enzima para a síntese de ATP a partir de ADP + Pi Translocação de íons e síntese de ATP Ao final da cadeia, Os elétrons deixam a cadeia reduzindo o aceptor terminal de elétrons (O2). Assim, o oxigênio é o aceptor final de elétrons. Na respiração anaeróbia, o aceptor final de elétrons é uma substância inorgânica diferente do oxigênio. Respiração anaeróbia Pseudomonas e Bacillus Respiração anaeróbia Quantidade de ATP gerada na respiração anaeróbia varia Respiração anaeróbia • Potencial de redox de outros aceptores não é tão positivo como o do O2, co qual apresenta grande tendência a receber elétrons. Logo, menos elétrons e prótons são transportados - menor produção de ATP • Grande maioria dos procariotos anaeróbios são anaeróbios facultativos (uso de diferentes aceptores de elétrons depende do tipo de habitat). • obtenção de energia a partir de açúcares ou outras moléculas orgânicas • não requer oxigênio, mas pode ocorrer na sua presença • não ocorrem ciclo de Krebs e cadeia de transporte de elétrons • utiliza molécula orgânica produzida pela célula como aceptor final de elétrons Fermentação Figure 13-4 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) • Na fermentação, o piruvato pode ser reduzido a etanol, lactato, entre outros. • O NADH é oxidado a NAD+, necessário para liberar este carreador de elétrons para as reações da glicólise. Bactérias láticas Streptococcus e Lactobacillus Leveduras e bactérias Fermentação Diversidade fermentativa A fermentação do ácido láctico pode resultar na deterioração de alimentos. Mas também pode produzir iogurte a partir de leite, chucrute a partir de repolho e picles a partir de pepino. O etanol produzido pelas leveduras é o álcool das bebidas alcoólicas, e o dióxido de carbono produzido pelas leveduras causa o crescimento da massa do pão. Diversidade fermentativa • O substrato fermentado pode variar além da glicose (aminoácidos, proteínas, derivados de ácidos graxos, purinas e pirimidinas e até compostos aromáticos); • Os microrganismos conseguemexplorar nichos exclusivos e são de grande importância na reciclagem de nutrientes em ambientes anóxicos. Outros açúcares podem ser fermentados pelos microrganismos. 𝛃-galactosidase invertase • Lactose e frutose são convertidas a glicose para a via glicolítica pela ação das enzimas isomerases. • Microrganismos também podem produzir amilases (degradação do amido) e celulases (degradação da celulose). Catabolismo de lipídios e proteínas Os microrganismos produzem enzimas extracelulares, chamadas de lipases, que quebram as gorduras nos seus componentes ácidos graxos e glicerol. enzimas da beta-oxidação degradam o petróleo (tanques de armazenamento de petróleo) Os microrganismos produzem proteases e peptidases extracelulares, enzimas que decompõem as proteínas em seus componentes aminoácidos, os quais conseguem atravessar as membranas. Aminoácidos precisam ser desaminados em que o grupamento amino é removido e convertido em amônio o ácido orgânico restante entra no ciclo de Krebs Metabolismo de Microrganismos fototróficos: Fotoautotróficos / Fotoheterotróficos Fotossíntese Síntese de compostos orgânicos a partir de substâncias inorgânicas Plantas e Muitos Microrganismos Via de entrada da energia na nossa biosfera Metabolismo Fototrófico Energia luminosa capturada pelos pigmentos presentes nos microrganismos fototróficos e transformada em energia química (ATP) Metabolismo Fototrófico ● Plantas, algas, alguns grupos de bactérias (cianobactérias, bactérias sulfurosas verdes e púrpuras e heliobactérias) e arqueias (Halobacterium) – fotoautotróficos. ● Bactérias púrpuras não sulfurosas (grupo metabolicamente muito versátil). Metabolismo Fototrófico Anabaena sp. Rhodospirillum sp. Chlorobium sp. Arthrospira sp. Anabaena (cianobactéria – Familia Nostocaceae) Rhodospirillum (bactéria púrpura – Rhodospirillaceae) Chlorobium (bactéria verde sulfurosa – Chlorobiaceae) Arthrospira (cianobactéria - Microcoleaceae ) Fotossíntese Etapas: I. Etapa dependente de luz: energia luminosa é utilizada para produzir ATP (fotofosforilação). • Elétrons gerados nessa etapa são carreados por NADP+ que é reduzido a NADPH. II. Etapa das reações foto-independentes: ATP e NADPH da etapa foto- dependente são utilizados para a fixação do CO2 e produção de carboidratos. Fotossíntese Dois conjuntos de reações: 1.Produção de ATP e redução do NAD+ a NADH 2. Redução de CO2 em material celular Necessários doadores de elétrons para que o processo ocorra. Na fase clara, para que a água doe elétrons para NADPH é necessário que os fótons da luz, elevem o nível energético dos elétrons de moléculas que participam desta etapa da fotossíntese - excitação Fotossíntese - Pigmentos Quais são as moléculas que recebem esta energia luminosa? Pigmentos captadores de luz (acessórios ou antena): captam e transferem elétrons de uma molécula para outra até o centro de reação. Exemplos: carotenoides, ficobilinas e bacterioclorofilas – absorvem luz em diferentes comprimentos de onda Pigmentos do centro de reação (clorofila e bacterioclorofilas). Fotossíntese Pigmentos – Clorofila e Bacterioclorofila Bactérias Pigmentos fotossensíveis: clorofila a e bacterioclorofila a Cianobactérias Fotossíntese - Pigmentos ● Grande diversidade de pigmentos que absorvem luz de diferentes comprimentos de onda; • Permite a coexistência de diferentes tipos de microrganismos em um mesmo habitat iluminado. • A clorofila a é verde porque absorve preferencialmente as luzes vermelha e azul, transmitindo a luz verde Pigmentos – Clorofila e Bacterioclorofila Plantas, Algas e Cianobactérias Bactérias púrpuras e verdes Carotenóides: hidrocarbonetos de cadeias simples e duplas alternadas; •Responsáveis pela coloração vermelha, púrpura, cor-de-rosa, verde, amarelo ou marrom de diferentes espécies de fototróficos anoxigênicos. Pigmentos - Carotenóides Pigmentos - Carotenóides O complexo antena está organizado de forma que a energia de um elétron excitado passe de uma molécula de clorofila à outra até chegar no par especial do centro de reação. Membrana da bactéria ou do tilacóide (cloroplasto) Bacterioclorofila s ou clorofilas antena Par especial de bacterioclorofilas ou clorofilas no centro de reação Centro de reação: Aonde ocorre o início da fotossíntese Possui um par especial de clorofila ou bacterioclorofila, associadas a proteínas transmembrana; Esse par especial é responsável pela transferência de elétrons excitados para uma cadeia transportadora que resulta em produção de ATP e NADPH. Par especial de bacterioclorofilas ou clorofilas no centro de reação Moléculas antena Centro de reação Fotocomplexos da bactéria púrpura Phaeospirillum molischianum Pigmentos - Ficobilinas Ficobilinas: principais pigmentos antena de cloroplastos de algas vermelhas e de cianobactérias (ficoeritrina, ficocianina e aloficocianina). Formam ficobilissomos que se ligam à membrana fotossintética. Localização do aparelho fotoquímico As estruturas que contêm os pigmentos fotossensíveis variam nos diferentes grupos bacterianos, sendo diferentes da organela correspondente das plantas e unicelulares eucariontes, os cloroplastos. Tilacóides: a membrana dos tilacóides contém os pigmentos responsáveis pela fotossíntese (clorofila) ligados a proteínas e lipídeos das membranas. Makinoella sp. Localização do aparelho fotoquímico Bactérias púrpuras: o aparelho fotoquímico está localizado em invaginações da membrana citoplasmática. Membranas lamelares da bactéria púrpura Ectothiorhodospira. Localização do aparelho fotoquímico Bactérias verdes: vesículas envoltas por uma monocamada membranosa, chamadas clorossomos, que se justapõem às membranas. Os clorossomos abrigam bacterioclorofila c, d e e, estando a cadeia de transporte de elétrons e bacterioclorofila a localizadas na membrana plasmática. Chlorobaculum tepidum FMO: proteína que liga o clorossomo à face interna da membrana citoplasmática Clorossomo – extremamente eficiente Membrana citoplasmática Centro de reação onde está localizada a bacterioclorofila a Localização do aparelho fotoquímico Cianobactérias: o sistema fotossintetizante é mais complexo, formado por lamelas membranosas, dispostas em várias camadas, os tilacoides, semelhantes aos dos cloroplastos. Cromatóforos: vesículas membranosas Lamelas: comum em bactérias púrpuras Tilacoides: em cianobactérias, arranjo semelhante ao de cloroplastos Como os pigmentos são capazes de converter a energia luminosa para o metabolismo dos fototróficos? Fotofosforilação (produção de ATP na fase clara) Plantas, algas e cianobactérias Bactérias sulfurosas verdes e púrpuras Fase Clara da Fotosssíntese Anoxigênica Fotossíntese anoxigênica ocorre em bactérias púrpuras e verdes. Bactérias verdes e púrpuras habitam ambientes aquáticos mais profundos com ausência de oxigênio, mas com luz e substâncias reduzidas. H2S, S0, S2O32-, Fe2+, NO2- – são os doadores de elétrons para as bacterioclorofilas dos centros de reação. Não usam H2 da água para reduzir o CO2 e não podem realizar a fotossíntese na presença de oxigênio Fotossíntese anoxigênica em bactérias púrpura e verde não sulfurosas Energia dos fótons é absorvida pelos pigmentos antena e é transferida para o centro de reação (P870 – púrpuras e P840 – verdes). As bacterioclorofilas perdem um elétron que é transportado por uma cadeia até retornar à molécula original. bacterioclorofilas bacteriofeofitina quinonas citocromos Representação do Fotossistema II Bactérias púrpura e verdes não sulfurosas Fotossíntese anoxigênica em bactérias verde sulfurosas Representação do Fotossistema I Bactérias verdes sulfurosas • Nesse sistema, os elétrons percorrem um circuito fechado; • O ATP é formado pela ATP sintase na membrana, durante o fluxo de elétrons, que gera a forçapróton-motriz, devido ao bombeamento de prótons H+ para o periplasma; • O formação de ATP pelo fluxo de elétrons em circuito fechado é denominada fotofosforilação cíclica. ATP sintase • Na fotossíntese anoxigênica, para que o CO2 possa ser reduzido e formar compostos celulares, é preciso gerar moléculas redutoras na fase clara, no caso, NADPH. • Cada elétron do centro de reação pode seguir dois caminhos: ser transferido para o complexo citocromo bc1 e gerar força próton-motriz ou reduzir coenzimas NADP. Geração de potencial redutor para fixação de C Proteína FeS transfere e- para Fd (ferrodoxina) que reduz NADP+ a NADPH Bacterioclorofila com baixo potencial de redução e o primeiro membro da cadeia (Q) possui valor de potencial mais positivo para reduzir o NAD+, logo não há transferência direta de elétrons para a coenzima. Ocorre transporte reverso de elétrons - quinonas Q com potencial mais positivo que para NADH. • H2S, S0, S2O32-, Fe2+, NO2- – são os doadores de elétrons para as bacterioclorofilas dos centros de reação. • A remoção de elétrons de um fotossistema torna obrigatória a presença de doadores externos de elétrons para as bacterioclorofilas do par especial. Fase clara da Fotossíntese Oxigênica Plantas, algas e cianobactérias Bactérias sulfurosas verdes e púrpuras Dois tipos de centros de reação presentes em dois fotossistemas: •Fotossistema I (PSI ou P700) •Fotossistema II (PSII ou P680) Fotossistemas: conjunto de moléculas nas membranas fotossintéticas (pigmentos antena, centro de reação e cadeia transportadora de elétrons). NADPH – poder redutor usado para a redução do CO2. Gradiente de prótons importante para gerar força próton-motriz - síntese de ATP por uma ATP sintase. Etapa II da fotossíntese Fixação de CO2 O NADPH e o ATP formados na fase clara são utilizados para reduzir CO2 a carboidrato. Fase II Fixação do CO2 realizada no Ciclo de Calvin Bactérias púrpuras, cianobactérias, algas plantas, maioria das bactérias quimiolitotróficas e algumas arqueias ATP, NAPH e enzimas ribulose bifosfato carboxilase (RUBISCO) e fosforibulocinase RUBISCO catalisa formação de duas moléculas de 3-fosfoglicerato. Figure 14-37 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) Trioses (3C) Ciclo de Calvin Fosforibulocinase regenera as moléculas de ribulose 1,5-bifosfato Electron micrographs showing alpha-carboxysomes from the chemoautotrophic bacterium Halothiobacillus neapolitanus: (A) arranged within the cell, and (B) intact upon isolation. Scale bars indicate 100 nm. • Carboxissomos: inclusões com até 250 moléculas de RUBISCO/cada presente em vários procariotos autotróficos. • Permite rápida fixação de CO2, sem aumento da osmolaridade, por estarem contidas nestas inclusões. https://en.wikipedia.org/wiki/Halothiobacillus Fotossíntese: fatores limitantes Fatores Internos – Referem-se às características do microrganismo 1. Disponibilidade de pigmentos fotossintetizantes: como a clorofila é a responsável pela captação da energia luminosa, a sua falta restringe a intensidade da fotossíntese. 2. Disponibilidade de enzimas e de co-fatores: todas as reações fotossintéticas envolvem a participação de enzimas ou de co-fatores transportadores de elétrons, que devem existir em quantidade suficiente. 3. Os cloroplastos: são as organelas onde ocorrem as reações da fotossíntese. Quanto maior o número de cloroplastos, maior a eficiência do processo. Temperatura: As reações são catalisadas por enzimas, e estas têm sua atividade influenciada pela temperatura. De modo geral, elevação de 10 °C na temperatura duplica a velocidade das reações enzimáticas. Todavia, em temperaturas elevadas, começa a ocorrer desnaturação enzimática, com alteração da sua configuração espacial e perda de atividade. Existe, portanto, uma temperatura ótima para o processo fotossintético, que não é a mesma para todos os microrganismos. Intensidade luminosa: Aumentando a intensidade luminosa, a intensidade da fotossíntese aumenta. Todavia, a partir de certa quantidade, o aumento na quantidade de luz não é acompanhado por elevação na intensidade da fotossíntese. A intensidade luminosa deixa de ser o fator limitante quando todo o sistema de pigmentos já estiver sendo excitado. Atingiu-se o ponto de saturação luminosa. O x corresponde à intensidade luminosa a partir da qual a luz deixa de ser o fator limitante do processo. Comprimento de onda: Pigmentos fotossintetizantes captam a luz com diferentes intensidades nas várias faixas do espectro da luz visível. A assimilação de luz pelas clorofilas a e b principalmente, e pelos carotenóides, determina o espectro de ação da fotossíntese. Abaixo: excelente atividade fotossintética nas faixas do azul e do vermelho, e a pouca atividade na faixa do verde , como seria de se esperar. Afinal, as plantas são verdes porque refletem a luz verde, e não porque a assimilam. DIVERSIDADE METABÓLICA Cianobactérias Fototróficas oxigênicas, possuem os fotossistemas I e II, fixam CO2 via ciclo de Calvin e muitas conseguem fixar N2. No escuro geram energia por fermentação ou respiração aeróbia de reservas de carbono como o glicogênio. Algumas são foto-heterotróficas e podem assimilar outras fontes de carbono como glicose e acetato. Em altas concentrações de sulfeto, algumas realizam fotossíntese anoxigênica. Diversidade de cianobactérias Gloeothece Pleurocapsa Lyngbya Nodularia Fischerella Bactérias púrpura não sulfurosas • Microrganismos mais versáteis • Em geral são foto-heterotróficas; • Utilizam diferentes fontes de carbono e de elétrons: ácidos orgânicos, aminoácidos, álcoois, açúcares e compostos aromáticos; • Também podem ser fotoautotróficas, utilizando H2, H2S, Fe2+ e fixando CO2 pelo ciclo de Calvin; • Podem realizar respiração aeróbia, fermentação ou respiração anaeróbia; • Quase todas são capazes de fixar N2. Heliobactérias • Bactérias Gram-positivas fototróficas anoxigênicas; • Crescimento foto-heterotrófico e assimilam compostos como piruvato, lactato, acetato e butirato, como fonte de carbono; • Anaeróbios estritos; • Na ausência de luz pode ser quimiotróficas e fermentar piruvato; • Muitas vivem no solo e campos de arroz e sua capacidade de fixar N2 beneficia a produtividade de arroz. Metabolismo quimiolitotrófico • Uso de compostos inorgânicos como fonte de energia (muitas bactérias e arqueias). • Grande variedade de compostos usados: H2, compostos contendo nitrogênio ou enxofre, monóxido de carbono. Fe e Mn Oxidação de compostos inorgânicos cadeia transportadora de elétrons gradiente de prótons síntese de ATP • Geralmente organismos são autotróficos (usam CO2 como fonte de carbono); • Muitas vezes usam produtos de excreção dos quimiorganotróficos (H2, H2S, etc). Aceptor de elétrons: •Em aerobiose – O2 •Em anaerobioses – outros compostos como nitrito e sulfato. Aplicações ● Estudo da patogenicidade de algumas bactérias, pode levar a descoberta de novos alvos para drogas; ● Podem ser usados em processos industriais: processos fermentativos; ● Podem ser usados para resolução de problemas ambientais: - biorremediação, remoção de poluentes - degradação de matéria orgânica BIOSSÍNTESES açúcares (polissacarídeos) aminoácidos (proteínas) nucleotídeos (ácidos nucleicos) ácidos graxos (lipídeos) Figure 13-17 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010) • Na respiração, o ciclo de Krebs produz muitos dos precursores para a biossíntese de moléculas importantes para a célula.
Compartilhar