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METABOLISMO MICROBIANO DIVISÃO Anabolismo Consumo de energia Poder redutor (Biossíntese - R. Endergônicas) Moléculas oxidadas (Esqueletos de C, N,S...) são reduzidas Acoplamento Energético e Eletrônico Anfibolismo (Metabolismo Intermediário) A. NOÇÕES GERAIS Catabolismo Geração de energia Poder redutor (Degradação/ Exergônicas) Moléculas reduzidas Fontes de C, N, S... Transformações químicas celulares - produção e utilização de energia/poder redutor. Transporte, Produzir unidades básicas, polímeros (PS, Lipídeos, proteínas, ácidos nucléicos), estruturas celulares, crescimento e reprodução, reparar danos e manutenção celulares, locomover-se; Armazenar nutrientes e excreção. Inter-relacionadas através do acoplamento energético e eletrônico (AEE) CONCEITO Importância do metabolismo Papel dos microrganismos na natureza Origem da vida? Vida em outros planetas? Avaliar a diversidade e versatilidade bioquímica Cultivo, crescimento e controle dos mos. Desenvolvimento de métodos moleculares para diagnóstico e controle dos microrganismos em processos: Deterioração de materiais, doenças Exploração econômica dos mos Reciclagem Da Matéria - tabela periódica bioquímica Balanço do Oxigênio no Planeta Fertilização dos solos, produção animal! Efeito estufa – pum e arroto do boi!!! Produção industrial de Combustíveis (Fermentações), Medicamentos, bioinseticidas, biossolventes, biopolímeros e biotensoativos (reduzir a poluição) Toxinas microbianas – usos Bioterrorismo e biodefesa Acoplamento Energético e Eletrônico ORGANIZAÇÃO DO METABOLISMO CELULAR PAPEL DO ATP NO ACOPLAMENTO DAS REAÇÕES ANABÓLICAS E CATABÓLICAS Reações anabólicas transferem energia do ATP para moléculas de GDP, CDP ... Para formar GTP, CTP, UTP... Organização do metabolismo NADH NAD NADP NADPH C A T A B O L I S M O A N F I B O L I S M O A N F A B O L I S M O PAPEL DOS NUCLEOTIDEOS PIRIDINICOS NO ACOPLAMENTO DAS REAÇÕES ANABÓLICAS E CATABÓLICAS BASES METABÓLICAS (Metabolismo Primário) Bases metabólicas (Metabolismo Primário) Nutrientes Formação macromoléculas e estruturas celulares Sub-unidades básicas para a biossíntese (cerca de 150 moléculas) Intermediários metabólicos Vias catabólicas Vias anabólicas ENZIMAS • Biocatalizadores protéicos específicos. • Constituição – Protéica - apoenzima + coenzima e/ou cofatores (HOLOENZIMA) • Local de ação: Extracelulares, periplasmáticas e intracelulares. • Propriedades físicas e químicas das enzimas • Principais classes de enzimas de acordo c/ reações químicas catalisadas. (Tabela 1) COMPONENTES DAS ENZIMAS ENZIMAS MECANISMOS DE AÇÃO ENZIMÁTICA Gliceraldeído-P Dihidroxiacetona ~P Aldolase Aldolase livre Complexo Enzima- Substrato Frutose 1,6 difosfato COENZIMAS (COFATOR ORGÂNICO) NUCLEOTÍDEOS PIRIDÍNICOS • NAD + (Nicotinamida adenina dinucleotídeo ) - reações catabólicas • NADP+(Nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato ) - reações anabólicas • FAD ( Flavina adenina nucleotídeo ) • FMN (Flavina mononucleotídeo ) • Coenzima A (CoA) – papel na síntese e na degradação de lipídeos e em reações de oxidação do ciclo de Krebs NAD NADP tem estrutura idêntica exceto por conter um grupo fostato ligado ao resíduo da ribose TOXINAS PROTEICAS BACTERIANAS Toxinas proteicas bacterianas NAD Toxinas EF-2 ADP-Ribosil-EF-2 Bloqueia a Síntese Protéica Mecanismo de ação da Toxina Diftérica Toxinas colérica, pertussis e diftérica Exercem atividade enzimática usando NAD como co-substrato. COENZIMA A Ácido Pantotênico A energia de ligação tioester pode ser subsequente/te usada para sintetizar ATP (clostridios) através da conversão: Acetil~SCoA +ADP + Pi--------> Ácido Acético + CoASH + ATP. COFATORES INORGÂNICOS ( ÍONS METÁLICOS) COFATORES INORGÂNICOS ( ÍONS METÁLICOS) • Auxiliam na catálise de uma reação pela formação de uma ponte entre a enzima e um substrato • Fe, Cu, Mg, Mn, Zn , Ca e Co • Mg 2+ : enzimas fosforilativas (transferem um grupo fosfato do ATP para outro substrato ), ex: Enolase • íon fluoreto se liga ao Mg 2+, que é o ativador da enolase – inibe o metabolismo de bactérias cariogênicas • Também pode bloquear a glicólise em bioprocessos industriais (qualidade da água) CLASSIFICAÇÃO DAS ENZIMAS em relação às reações químicas catalisadas Tabela 1. Classificação das enzimas em relação as reações químicas catalisadas CLASSES REAÇÕES CATALÍTICAS 1. OXIDORREDUTASES (deisdrogenases, peroxidades, superóxido-dismutase) Transferência de elétrons 2. TRANSFERASES (Transaminases, transcarboxilases....) Transferência de grupos funcionais (metil, formil, carboxil, aldeídicos, OH, N, P... 3. HIDROLASES (galdase, esterases, peptidases, fosfatases) Reações de hidrólise (água) 4. LIASES (Descarboxilases, aldolases, desidratases) Remoção de grupos a partir dos substratos, deixando duplas ligações ou substituindo-as 5. ISOMERASES Reações de isomerização (isômeros ópticos, geométricos) 6. LIGASES (DNAligase..) Reações união de duas moléculas com ATP. REGULAÇÃO METABÓLICA Regulação metabólica • Atividade e síntese enzimáticas A regulação pode ser positiva ou negativa. Aumentando a afinidade pelo substrato/produto ou reduzindo-a. (I. Pasteur, 1887 A. Niger (invertase), 1930 Adap/Constit., 42 Monod, 60 +Jacob) Inibição por retroalimentação Aplicações práticas e industriais! Enzima com sitio alostérico não funcional Síntese do produto final que se acumula no bioprocesso X REGULAÇÃO DA SÍNTESE ENZIMÁTICA Regulação da Síntese enzimática •Enzimas constitutivas – metabolismo da glicose – produzidas qualquer que sejam as condições • Enzimas Indutíveis ou adaptativas– somente são produzidas quando o substrato se encontra presente no meio Regulação da síntese das enzimas - catabolismo I,R P O GENES ESTRUTURAIS REPRESSÃO (GERAL)REPRESSÃO (GERAL) mRNA Repressor •Proteína repressora ativa O gene operador bloqueado pela proteína repressora, em conseqüência, não há transcrição dos genes estruturais. X http://www.s umanasinc.co m/webcontent /animations/c ontent/lacope ron.html I,R P O GENES ESTRUTURAIS OPERON E REGULAÇÃO GENÉTICA m RN A R epre s s or P rote ín a repre s s ora In du tore s Tran s crição Tradução A lig ação ao g en e ope rador n ão ocorrerá, perm it in do a tran s crição e tradu ção. (CATAB OLIS MO) R epre s s orR epre s s or in at ivoin at ivo X Com pos tos h idrofóbicos , lactos e Regulação da síntese de Enzimas (Indução) Regulação da síntese de enzimas (Repressão) Anabolismo ou biossíntese I,R P O GENES ESTRUTURAIS REPRESSÃO (GERAL)REPRESSÃO (GERAL) mRNA PROTEINA REPRESSORA INATIVA O repressor é ativado e o gene operador é bloqueado, O repressor é ativado e o gene operador é bloqueado, não havendo transcrição dos genes estruturais não havendo transcrição dos genes estruturais (Anabolismo (Anabolismo -- TRP). Enzimas repressíveis TRP). Enzimas repressíveis Co-Repressor + PROTEINA REPRESSORA ATIVA xxxxxxxxx A cell requires 430 genes according to a new study ("global transposon mutagenesis”) by the Synthetic Biology Group at the J. Craig Venter Institute. Surprisingly, nearly a third of the necessary proteins have unknown functions. Metabolic pathways and substrate transport mechanisms encoded by M. genitalium. Metabolic products are colored red, and mycoplasma proteins are black. White letters on black boxes mark nonessential functions or proteins based on our current gene disruption study.... B. PRODUÇÃO DE ENERGIA E PODER REDUTOR B. PRODUÇÃODE ENERGIA E PODER REDUTOR Origem - Vias Catabólicas •EMBDEM MEYROFF PARNAS (EMP) - Maioria dos Eucariotos. Saccharomyces •PENTOSE FOSFATO (HMP ou PP) •ENTNER-DOUDOROFF (ED) •B-OXIDAÇÃO – HC, LIPÍDEOS •REAÇÃO DE STICKLAND – AMINOÁCIDOS ENERGIA QUÍMICA ENERGIA QUÍMICA • EQ = Energia das ligações química das moléculas de nutrientes especiais (inorgânicos NH2, H2S, NO2,..., Orgânicos. Glicose, AA, A. Grx...,) ao quebrarem-se libera-se energia. • Energia Radiante em EQ. • TRANSFERIDAS AO ADP FORMANDO ... FORMAÇÃO, TRANSFERÊNCIA e ARMAZENAMENTO DE ENERGIA FORMAÇÃO, TRANSFERÊNCIA E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA • Triposfato de adenosina - ATP - ligações elevado teor energético - fosfodiéster - Moeda energética celular. Instável; • Principal molécula transportadora de energia de todas as células TEORIAS DA FORMAÇÃO DO ATP TEORIAS DA FORMAÇÃO DO ATP ALTERAÇÃO CONFORMACIONAL DA ATPase FORÇA PROTOMOTIVA Energia do STE bombeia prótons (íon hidrogênio ou H+) para fora da célula - MC não é permeável a prótons, acumulando-se meio externo (ácido e positivo) e déficit interno - energia potencial - PROTOMOTIVA Canais específicos p/prótons ADENOSINA TRIFOSFATASE, ATP Sintase ou ATPase. Fluxo prótons para o lado interno da membrana forçando a enzima a fosforilar (Pi) ADP formando ATP Armazenamento de energia Armazenamento de energia • polímeros (Capsulares/grânulos). Mutano e outros polímeros C. MECANISMOS BIOQUÍMICOS PRODUTORES DE ENERGIA C. MECANISMOS BIOQUÍMICOS PRODUTORES DE ENERGIA FOSFORILAÇÃO EM NÍVEL DO SUBSTRATO PNS ocorre durante fermentação e respiração (TCA ciclo), e em transformação litotróficas de substratos inorgânicos. TRANSPORTE DE ELÉTRONS FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA FOTOFOSFORILACAO FOSFORILAÇÃO EM NÍVEL DO SUBSTRATO Rearranjo dos átomos na molécula do catabólito – composto (~P ou ~S) de alto nível energético, o qual através de enzima (s) apropriada rompe-se, libera energia, que é transferida ao ADP formando ATP Unico mecanismo de gerar ATP em organismos fermentativos.... GLICÓLISE GLICÓLISE ENOLASE FOSFORILAÇÃO A NÍVEL DE SUBSTRATO PIRUVATO QUINASE Pi NAD NADH ADP ATP Enolase H2O ATP ADP Ácido 1,3 diP-Glicérico Ácido 2-P-Glicérico Ácido P-Enol Pirúvico Piruvato quinase Ácido Pirúvico Figura 8. FOSFORILAÇÃO EM NÍVEL DO SUBSTRATO Oxidação de 3P-Gliceraldeído GLICÓLISE FOSFORILAÇÃO EM NÍVEL DE SUBSTRATO PENTOSE FOSFATO Continuação PP ENTNER-DOUDOROFF Pseudomonas e Xanthomonas TRANSPORTE DE ELÉTRONS OXIDAÇÕES BIOLÓGICAS • Reações de oxidação e redução e- Fe++ Fe +++ Fe +++ Fe ++ e- Agentes redutores - Glicose, tioglicolato, cisteína, ac. ascórbico Agentes oxidantes - Oxigênio, Nitrato, sulfato, carbonatos OXIDAÇÃO BIOLÓGICA OXIDAÇÃO BIOLÓGICA Tabela 2. Potencial eletromotivo ou Redox (Eh) de pares de substâncias biologicamente ativas GERAÇÃO PODER REDUTOR Poder Redutor – Elétrons p/ reações redução (Biossíntese). Nucleotídeos piridínicos (NADH, FADH2, NADPH). Importância nos anaeróbios. Par de substâncias redox E'0 (Volts)* Centro Clorofila+ + e Centro Clorofila -0,60 2H+ + 2e- H2 -0,42 Ferridoxina (Fe+3) + e- Ferridoxina (Fe+2) -0,42 NAD+ + H+ + 2e- NADH2 -0,32 NAD(P)+ + H+ + 2e- NAD(P)H2 -0,32 S + 2H+ + 2e- H2S -0,274 Acetaldeído + 2H+ + 2e- Etanol -0,19 Piruvato + 2H+ + 2e- Lactato-2 -0,18 FAD + 2H+ + 2e- FADH2 -0,18*[1] Oxalacetato-2 + 2H+ + 2e- Malato-2 -0,166 FAD + 2H+ + 2e- FADH2 -0,03* Fumarato-2 + 2H+ + 2e- Succinato-2 -0,031 Citocromo b (Fe+3) + e- Citocromo b (Fe+2) -0,075 Ubiquinona + 2H+ + 2e- Ubiquinona H2 0,10 Citocromo c (Fe+3) + e- Citocromo c (Fe+2) 0,21 0,254 NO-3 + 2H + + 2e- NO-2 + H2O 0,421 NO-2 + 8H + + 6e- NH+4 + 2H2O 0,44 O2 +4H + + 4e- [1] As flavoproteínas diferem amplamente quanto aos valores de E´0 Citocromo c1 (Fe +3) + e- Citocromo c1 (Fe +2) 2H2O 0,815 SISTEMA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS Sistema de transporte de elétrons Sistemas de Óxido-redução (O/R) Libera energia gradativa/série de sistemas de O/R, cada par sucessivo >capacidade receber elétrons (maior capacidade oxidante do que o anterior). Elétrons provenientes do doador são removidos pelo sistema O/R inicial; que é oxidado pelo próximo sistema O/R e ... Finalmente, os elétrons são transferidos ao aceptor final de elétrons, usual/ composto oxidado do ambiente (DESASSIMILAÇÃO). SISTEMA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS Composto reduzido Composto oxidado GERAÇÃO DE FORÇA PROMOTIVA Pg 297 fig 11.7 Pelczar Geração de força protomotiva Transporte de elétrons, geração de força protomotiva e produção de ATP http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/atpsynthase.html 1. FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA 1. FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA • Série integrada de reações de oxidação seqüenciais • STE - A ENERGIA É TEMPORARIAMENTE ARMAZENADA NA FORMA DE FORÇA PROTOMOTIVA; • A FP gera energia para síntese do ATP a partir do ADP / ATPase presente MC. . Transporte de elétrons, geração de força protomotiva e produção de ATP Pseudomonas 2. FOTOFOSFORILAÇÃO 2. FOTOFOSFORILAÇÃO • CÍCLICA –SOMENTE SÍNTESE DE ATP • ACÍCLICA – SÍNTESE DE ATP E PR (NADPH) FOTOFOSFORILAÇÃO NADP H2S, H2,NH3, Moléculas orgânicas ou Cl a H2 FP P700 Mg Bacterioclorofila Fótons fd Fotossistemas I e II ATP O/R O/R H2O CÍCLICA ACÍCLICA SÍTIOS DE FOTOFOSFORILAÇÃO Anabaena azollae - cianobactéria TILACÓIDES CÍCLICA ACÍCLICA Poder redutor FOTOFOSFORILAÇÃO D. PROCESSOS METABÓLICOS PRODUTORES DE ENERGIA D. PROCESSOS METABÓLICOS PRODUTORES DE ENERGIA DOADORES DE ELETRONS SÃO COMPOSTOS ORGÂNICOS OU INORGÂNICOS, MAS OS RECEPTORES FINAIS DE ELÉTRONS SÃO SEMPRE INORGÂNICOS. Procarióticos - MC – Mesossomos; Eucarióticos - mitocôndria OXIGÊNIO -------------------------- Bacterioclorofilas (# espectros de absorção de luz: Verde Vermelha, marrom, ferridoxina) OXIGÊNICA (H2O) ANOXIGÊNCIA (H2S, H2...HA) PMPE EM QUE OS DOADORES E RECEPTORES FINAIS e SÃO COMP.ORG. Produto final: Lática, Alcoólica, propiônica, butírica... HOMO – um tipo produto final HETERO - mista –E.coli - Enterobacter (Taxonômica) NITRATOS,SULFATOS E CARBONATOS --- http://www.sumanasinc.com/ webcontent/animations/conte nt/ionpumps.html PROCESSOS FERMENTATIVOS IMPORTÂNCIA DA FERMENTAÇÃO Econômica Produção de alimentos, bebidas, combustíveis, Medicamentos ...$$$$$$$$$$$$ Deterioração alimentos – $$$$$ - Reação STICKLAND – AA –Anaeróbios Saúde INFECÇÕES ANAERÓBIAS – PROGNÓSTICO RUIM – progressão rápida – bx rendimento energético do processo metabólico produtor de energia INFECÇÕES ANAERÓBICAS Infecções anaeróbias • Gangrena Infecções anaeróbias Antes e Após-tratamento Processos Fermentativos Glicose Ácido Pirúvico EIXO DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS ÁCIDO PIRÚVICO Butileno- glicólica Mista Butírica Propriônica Alcoólica Lática C. diphtheriae C C COOH H3 O C C COOH H3 O NADH + H+ NAD+ H H Ácido pirúvico Ácido lático FERMENTAÇÃO LÁTICA Lático desidrogenase Streptococcus FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA CO2 NADH + H+ Álcool- desidrogenase H H Ácido pirúvico Acetaldeído Etanol Saccharomyces, Zymomonas mobile Odontologia Engenharia genética Terapia de substituição METABOLISMO INTERMEDIÁRIO OU ANFIBOLISMO -ceto-glutarato PEP CO2 CO2 Oxaloacetato Citrato Sequências anapleuróticas ATP GTP NADH CO2 NADH NADH Piruvato Capnofílicos Acetil-Coa Succinato Aeróbios a microaeróbios Anaeróbios facultativos não funciona Anaeróbios fermentativos não existe? -ceto-glutáricodesidrogenase 21 a 2%O2 H2O2 O-2 OH. Enzimas: Catalase, peroxidase e Superóxido dismutase (SOD) Toxicidade do oxigênio para os anaeróbios CICLO DE KREBS FADH FADH FUNÇÕES Produção de energia Geração de poder redutor Fornecer precursores para a biossíntese Catalítica http://www.genome.jp/kegg/pathway/map /map01100.html http://www.genome.jp/kegg- bin/show_pathway?org_name=zro&mapno=01100&mapscale=1.0&show_description=show Atmosfera anaeróbia Mecanismos virulência Periodontites em Sindrômicos Urease? Infecção por Helicobacter http://www.su manasinc.com/ scienceinfocus/ helicobacter/hel icobacter_fla.ht ml METABOLISMO INTERMEDIÁRIO OU ANFIBOLISMO -ceto-glutarato PEP CO2 CO2 Oxaloacetato Citrato Sequências anapleuróticas ATP GTP NADH CO2 NADH NADH Piruvato Capnofílicos Acetil-Coa Succinato Aeróbios a microaeróbios Anaeróbios facultativos não funciona Anaeróbios fermentativos não existe? -ceto-glutáricodesidrogenase 21 a 2%O2 H2O2 O-2 OH. Enzimas: Catalase, peroxidase e Superóxido dismutase (SOD) Toxicidade do oxigênio para os anaeróbios CICLO DE KREBS FADH FADH Funções do CK • Produção de energia • Geração de poder redutor • Fornecer precursores para a biossíntese • Catalítica CATABOLISMO DE LIPÍDEOS CATABOLISMO DAS PROTEÍNAS • As proteínas são muito grandes para atravessarem as membranas plasmáticas • Os microrganismos produzem proteases e peptidases extracelulares para quebrar proteína em aminoácidos • Aminoácidos precisam ser convertidos para poder entrar no ciclo de Krebs: desaminação , descarboxilação e desidrogenação METABOLISMO BIOSSINTÉTICO OU ANABOLISMO • Mapa metabólico Transcrição e tradução BIOSSÍNTESE DE AMINOÁCIDOS BIOSSÍNTESE DE PEPTIDEOGLICANO DA PAREDE CELULAR Biossíntese do peptoglicano P-P Glicose UTP UDP- D/L-Ala, D-Glu, DAP (L-Lys) UDP- UDP- P-P UDP - P P UMP Transpeptidação ...NAG-NAM NAG-NAM... .NAG-NAM... ...NAG-NAM E. coli N-acetilglicosamina N-acetilmurâmico D-Aminoácidos L-Aminoácidos Bactoprenol DAP (Gly)5 S. aureus NAG-NAM... ...NAG-NAM ATP PEP Mecanismos de transpeptidação Enzimas (PBP)- Peptidil e glicosiltransferases; Endopeptidases, D-ala carboxipeptidases. Autolisinas (Sob controle -Repressão) Aplicações práticas do Metabolismo: Provas bioquímicas Catalase Oxidase Provas Bioquímicas Provas Bioquímicas Meio de tríplice açúcar e ferro Aplicações do metabolismo Fago recombinante com sistema luxFago recombinante com sistema luxFago recombinante com sistema lux BRASILUX A511+ cps-inl-luxAB ou gfp Concepção do Brasilux L. innocuaL. innocua L. ivanovii L. grayi L. welshimeri Biossensor para detecção de Listeria monocytogenes patogênicas Detecção de Micobactéria por fago luciferase no método de Bronx Box SUSCEPTIBILIDADE DE MICOBACTÉRIA mc 155 2 mc 17 Rif 2 R mc 651 Inh R 2 mc 1255 Str 2 R PELO BRONX BOX Ciclos dos Elementos Químicos http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/phosphorouscycle .html Ciclo do C http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/globalcarboncycle.html PRINCIPAL MÉTODO DE FIXAÇÃO DO CO2 CICLO DE CALVIN - BENSON FIXAÇÃO DE CO2 + 6 H2O 6 12 12 10 12 12 12 2 FRUTOSE 1,6DIFOSFATO FRUTOSE 6-FOSFATO GLICOSE 6-FOSFATO 6 6 6 Ciclo do Enxofre Ciclo do Nitrogênio Ciclo do Ferro Redução de molibdato a molibdeto Redução de sulfato a sulfeto Powerpoint Templates Page 125 Obrigado! Paulo Almeida, UFBA pfatk@yahoo.com.br
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