3-Metabolismo bacteriano

Prévia do material em texto

Metabolismo 
Microbiano 
Introdução 
 Fermentação e Metabolismo Aeróbico 
FIGURE 1 Cycling of carbon dioxide and oxygen 
between the autotrophic (photosynthetic) and heterotrophic 
domains in the biosphere. 
Metabolismo Bacteriano 
 Energy relationships between catabolic and anabolic pathways. 
E luminosa 
Fotossintetizantes Litotróficos Organotróficos 
E Compostos 
Inorgânicos 
(Fe+2, NO2
-, H2) 
E Compostos 
Orgânicos 
(Glicose) 
Biossíntese de 
Macromoléculas 
Montagem de 
Estruturas 
Divisão 
Celular 
Energia celular 
Operar os mecanismos de transporte: 
armazenamento de nutrientes e 
excreção de produtos de escória; 
 
Mobilidade: atividade do flagelo 
Produção celular de ATP 
(c) Fotofosforilação – microrganismos fotossintetizantes 
Reações Biológicas de Óxido-Redução 
 
DG0’ = - n.F.DE0’ 
DG0’ = - n.F.DE0’ 
DE0’ = E0’ox – E0’red 
Exemplo 
Acetaldehyde + NADH + H+ ------ Ethanol + NAD+ 
 
 
Acetaldehyde + 2H+ + 2e- ------ Ethanol E’0 = -0.197 V oxidante 
 
NAD+ + 2H+ + 2e- ------- NADH + H+ E’0 = -0.320 V redutor 
 
 
DE0’ = E0’ox – E0’red 
DE0’ = -0.197V – (-0.320V) = 0.123 V , n = 2 
 
DG0’ = - n.F.DE0’ 
F = 96.5 kJ/V.mol = 23.1 kcal/V.mol (1cal = 4.184 J) 
DG0` = - 2 (96.5 kJ/V.mol) (0.123V) = - 23.7 kJ/mol = - 5.7 kcal/mol 
 
 
Dehidrogenases que usam NAD+ 
 
ou NADP+ como coenzimas 
Coenzimas em Flavoproteínas 
Principais tipos nutricionais dos microrganismos 
 
Principais tipos nutricionais dos microrganismos 
Catabolismo de Carboidratos 
Oxidação aeróbica de carboidratos 
 
Glicose – na forma livre ou como componentes de 
dissacarídeos (lactose, sacarose, trealose, etc), ou 
como monômero de polissacarídeos (glicogênio, 
amido, celulose) 
Metabolismo Heterotrófico (oxidação de carboidratos) 
Respiração aeróbia: aceptor 
final de elétrons – O2 
Respiração anaeróbia: aceptor 
final de elétrons- NO3
-, SO4
2-, 
CO3
2-
_, 
Etapas 
 
A oxidação da glicose (C H O) em ácido 
pirúvico(C H O) é, geralmente,a primeira etapa 
no catabolismo de carboidratos. 
 
Funciona na presença ou ausência de O2 
 
É encontrada na maioria dos microrganismos 
 
 
 
 
 
Glicólise ou Via Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) 
Glicose + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ 2 piruvato + 2ATP + 2NADH + 2H+ 
Via glicolítica 
 
Produção de gliceraldeído 3-P 
 
 
Estágio I: Reações preparatórias 
Via de 
Embden-Meyerhof-Parnas 
(glicólise) 
Principais vias de fermentação em bactérias 
Açúcares 
Glicólise 
Etanol 
Lactato 
Succinato 
CO2 
Hidrogênio 
Formato 
Etanol 
2,3-Butanodiol 
Formato Lactato 
Acetoína 
CO2 
Hidrogênio 
 
Lactato 
 
 
 
 
 
Etanol 
CO2 
 
 
 
 
Propionato 
CO2 
Acetato 
Hidrogênio 
 
 
Butirato 
Butanol 
Isopropanol 
Acetona 
CO2 
 
Escherichia 
Salmonella 
Enterobacter Propionibacterium Saccharomyces Lactobacillus 
Streptococcus 
Bacillus 
Clostridium 
Fermentação 
mista 
Fermentação 
Lática 
Fermentação 
Alcoólica 
Fermentação 
Propiônica 
Fermentação 
Butírica 
Fermentação 
mista 
Tipos de fermentação - 1. Fermentação láctica 
 É a redução do piruvato a lactato. Presente em bactérias 
(Lactobacillus, Bacillus, Streptococcus), fungos, algas 
(Chlorella) e Protozoários. 
 
• Fermentação homoláctica – Microrganismos usam a glicólise e 
reduzem diretamente quase todo o piruvato a lactato com 
ajuda da enzima lactato desidrogenase. 
 
 
 
 
 
• Fermentação heterolática – formam-se outros produtos além 
do lactato (Ex. CO2 e etanol). 
 
Fermentação 
 Lática 
Tipos de fermentação - 2. Fermentação alcoólica 
 É a redução do piruvato a etanol e CO2. 
 
• Efetuada por muitos fungos e algumas bactérias, 
algas e protozoários. 
 
• O piruvato é descarboxilado em acetaldeído que 
depois é reduzido a etanol pela álcool 
desidrogenase com o NADH como doador de 
eletrons. 
 
Fermentação 
 Alcoólica 
Tipos de fermentação - 3. Fermentação ácida mista 
 É a redução do piruvato a etanol e múltiplos ácidos (acético, 
láctico, succínico e fórmico). 
 O ácido fórmico pode ainda ser convertido em H2 e CO2 pela 
hidrogenilase fórmica. 
 • A fermentação ácida mista é efetuada pela maior parte das 
Enterobacteriaceae (ex. Escherichia, Salmonella, Proteus). 
 
 
 
 
 
 
 
 Teste vermelho de metila – Permite pôr em evidência a 
diminuição de pH associada à libertação dos ácidos 
orgânicos. 
 
 
Tipos de fermentação - 4. Fermentação butanodiólica 
 O piruvato é convertido em acetoína que depois é 
reduzida a 2,3 – butanodiol com o NADH. 
Produzem-se também grandes quantidades de 
etanol e pequenas quantidades dos ácidos 
encontrados na fermentação ácida mista. 
 
• Tipo de fermentação característico de Enterobacter, 
Serratia, algumas espécies de Klebsiella e algumas 
espécies de Bacillus. 
 
Teste de Voges – Proskauer - Permite saber se a bactéria faz este tipo de 
fermentação. 
Fermentação 
 Industrial 
Vias alternativas à glicólise 
 Muitas bactérias possuem outra via além da 
glicólise para oxidar a glicose → via do 
fosfogluconato → 2 variantes: 
 
 1. Via Pentose fosfato (Hexose Monophosphate 
Shunt) 
 
 
 2. Via Entner-Doudoroff 
Via Pentose Fosfato 
 
Via alternativa da oxidação da glicose, que funciona 
simultaneamente com a via glicolítica (EMP) 
 
Permite a quebra de hexoses e de pentoses (presentes em 
diversos habitats) 
 
Produz pentoses intermediárias usadas na síntese de: 
nucleotídeos e ácidos nucléicos, glicose a partir de CO2 na 
fotossíntese (ciclo de Calvin-Benson), vários aminoácidos 
 
Produtora de coenzima reduzida NADPH a partir de NADP 
 
Ganho de 1 ATP/por glicose oxidada 
 
Ex: Bacillus subtilis, Escherichia coli, Leuconostoc 
mesenteroides e Enterococcus faecalis. 
 
Via das Pentoses Fosfato ( Importância ) 
Glicose 6-fosfato 
Ribose 5-fosfato 
Nucleotídeos, coenzimas 
(NADH, FADH2), DNA e RNA 
NADP+ 
NADPH
+H+ 
Fase Oxidativa 
Fase não oxidativa 
In cells that are not using ribose 5-phosphate for biosynthesis, the nonoxidative 
phase recycles six molecules of the pentose into five molecules of the 
hexose glucose 6-phosphate, allowing continued production of NADPH and 
converting glucose 6-phosphate (in six cycles) to CO2 . 
Glicose: Glicólise ou Via das Pentoses Fosfato 
Via Entner Doudoroff 
 As bactérias que possuem as enzimas para esta 
via podem oxidar a glicose até ácido pirúvico sem, 
contudo passar por todas as etapas da via 
glicolítica ou da via das pentoses; 
 Podem degradar açúcares ácidos (glicurônico, 
galacturônico e glicônico) 
 
 Glicose →2 etanol + 2 CO2 + 1 ATP 
 
 É encontrada em bactérias Gram negativas 
(Rhizobium, Pseudomonas e Agrobacterium) 
 
 Não é normalmente encontrada em bactérias 
Gram positivas 
 
 
Via Entner-Doudoroff 
 
Respiração aeróbica/Ciclo de Krebs 
 Eucariotos- ocorre no interior das mitocôndrias - 
matriz mitocondrial. 
 
 Permite a obtenção de grande quantidade de energia 
quando o piruvato é degradado aerobicamente a CO2 
+ H2O. 
 
• O ciclo é funcional em muitas bactérias aérobicas, 
protozoários e maioria das algas e fungos. 
 
• A E. coli não usa este ciclo completo em condições 
anaeróbicas ou quando a concentração de glicose é 
alta. 
 
 
 
 
O ácido cítrico sofre 
descarboxilações e 
desidrogenações, resultandoem 
vários compostos intermediários. 
 
No final do processo, o ácido 
oxalacético é regenerado e 
devolvido à matriz mitocondrial. 
 
Nesse processo, cada acetil-CoA 
degradada libera três moléculas 
de NADH e uma molécula de 
FADH, duas moléculas de CO, 
que são expedidas para o meio, 
e uma molécula de ATP (GTP) 
Ciclo de Krebs 
Biosynthetic precursors produced by an incomplete citric acid cycle in anaerobic bacteria. 
Vias Anapleróticas 
 Ocorre nas cristas mitocondriais do 
interior das mitocôndrias e na 
membrana citoplasmática bacteriana. 
 
 As moléculas de hidrogênio retiradas da 
glicose pelas moléculas de NAD e FAD, 
produzindo NADH e FADH,durante a 
glicólise e o ciclo de Krebs, serão 
transportadas por uma série de 
transportadores até o oxigênio, 
formando moléculas de água, liberando 
energia para a produção de ATP. 
 
 Por ocorrer na presença do oxigênio, a 
fosforilação é denominada oxidativa. 
 
 
Cadeia Respiratória 
Força próton motora (FMP): 
síntese de ATP por fosforilação oxidativa 
 
 A membrana citoplasmática bacteriana é, tal 
como as membranas de mitocôndrias ou de 
cloroplastos, impermeável aos prótons (H+). 
 
 Quando os prótons são produzidos e 
excretados para fora da célula, o que acontece 
durante os processos de óxido-redução da 
cadeia transportadora de elétrons, acumulam-
se no exterior da célula. 
 
 O interior da célula fica com carga geral 
negativa e pH alcalino, criando se um 
gradiente de potencial elétrico e de pH entre o 
exterior da célula e o interior. 
 
 Este potencial de membrana, designado por 
Peter Mitchell de força próton motora (FMP), é 
a base de sustentação da síntese de ATP 
durante o fenômeno da fosforilação oxidativa. 
 
Chemiosmotic model. 
Bacterial respiratory chain. 
Fosforilação oxidativa 
 
 QUIMIOSMOSE -
mecanismo de síntese 
de ATP, utilizando o 
potencial quimio-elétrico 
da membrana 
citoplasmática gerado 
pela cadeia de 
transporte de elétrons. 
 
 A síntese de ATP é 
mediado pelo sistema 
F1F0ATPase ou ATP 
sintetase. 
 
 Na bactéria, a ATP 
sintetase está 
localizada na superfície 
interna da membrana 
citoplasmática. 
 
Rotation of bacterial flagella by proton-motive force. 
SALDO ENERGÉTICO 
 
 
 
 
 
 C H O 6CO2 + 6H2O + 38ATP 
Respiração Aeróbica em 
Procariotos 
Respiração anaeróbica 
 A respiração anaeróbica é menos eficiente que a respiração aeróbica, mas 
mais eficiente do que a fermentação. 
 A menor eficiência em relação à respiração aeróbica deve-se à menor 
diferença de potencial de redução entre um doador de e- como o NADH e os 
receptores (nitrato) em comparação com o NADH e o O2. 
Respiração Anaeróbica 
O aceptor final de elétrons é uma 
Molécula Inorgânica que NÃO o 
O2.(incluem NO3
-, NO2
-, SO4
-2) 
O rendimento total de ATP é menor 
que na respiração aeróbica. 
Ciclo do glioxilato 
 É uma modificação (bypass) do ciclo de Krebs no 
qual participam 2 enzimas: isocitrato liase e 
sintase málica 
 
 É importante para a utilização de compostos de 2 
carbonos (acetato). Por meio do ciclo, 2 moléculas 
de acetil-CoA se transformam em uma molécula 
de succinato, que permite a síntese de glicose e 
várias outras moléculas de 5 ou 6 carbonos. 
 
 Ocorre em algumas bactérias, leveduras e plantas 
 
Ciclo do glioxilato 
 Bactérias utilizam unidades de 2 carbonos, acetil, 
em unidades de 4 carbonos (succinato) 
 
 Bactérias que têm ciclo do glioxilato podem ser 
detectadas por meio do teste bioquímico utilização 
do acetato 
 
 Ex: Salmonella, Enterobacter, Klebsiella 
Ciclo do glioxilato 
glicose 
gliconeogênese 
Gliconeogênese 
 Quando há a necessidade 
de glicose, esta pode ser 
sintetizada a partir de 
outros compostos 
contendo carbono, em 
geral pela inversão de 
etapas da glicólise 
Catabolismo de lipídeos 
 
 Triacilglicerois 
são constituídos 
de ácidos graxos 
e glicerol 
 
 
 Lipases: 
enzimas 
extracelulares 
que quebram os 
triacilglicerol em 
ácidos graxos e 
glicerol, que são 
metabolizados 
separadamente. 
 
 
Triacilglicerol 
Glicerol 
Ácidos 
graxos 
B- oxidação 
G
li
c
ó
li
s
e
 
Glicose 
Diidroxiacetona – P 
Gliceraldeído 3P 
 
Ácido pirúvico 
Acetil-coA 
Ciclo de 
Krebs 
Carboidratos Proteínas 
CTE e quimiosmose água 
O2 
CO2 
Aminoácidos 
Metabolismo oxidativo de Proteínas 
 São moléculas grandes para 
atravessarem membranas, assim são 
hidrolisadas em seus aminoácidos 
constituintes pelas enzimas proteases e 
peptidases. 
 
 
 São convertidos a outras substâncias que 
possam entrar no ciclo de Krebs. 
 
 
 Desaminação do aminoácido: remoção do 
grupo amino (convertido ao íon amônio 
NH4+ - excretado da célula- ou convertido 
em ureia, em organismos superiores) e 
de ácidos orgânicos (ciclo de Krebs). 
 
 Descarboxilação: remoção de COOH. 
 
 
G
li
c
ó
li
s
e
 
Glicose 
Diidroxiacetona – P 
Gliceraldeído 3P 
 
Ácido pirúvico 
Acetil-coA 
Ciclo de 
Krebs 
Carboidratos Proteínas 
CTE e quimiosmose água 
O2 
CO2 
Aminoácidos 
 Glicólise e 
respiração estão 
integrados em 
ambos 
metabolismo 
anabólico e 
catabólico. 
 
 Catabólico: 
• Polissacarídeo 
hidrolisados a glicose-
P 
• Lipídeos convertidos a 
glicerol e acido graxo 
(acetato a CoA)-
lipases 
• Proteínas hidrolisadas 
a aminoácidos-
proteólise 
 
 Anabólicas 
(síntese) 
• Reações reversas 
formam lipídeos, 
polissacarídeos e 
proteínas 
• Gliconeogênese 
Chaves dicotômicas para identificação bioquímica-fisiológica 
de microrganismos 
 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 
 
 Teste de fermentação de carboidratos 
 
 
 
 
 
 
 Caldo nutriente +carboidrato (glicose,ou lactose, ou 
manose,etc...0,5 a 1%) 
 Indicador de pH (vermelho de fenol) pH 7,4 
 Tubo de Durham (gás) 
 Fermentação ↓pH (amerelo) 
 
Identificação de bactérias 
 Produtos finais da fermentação de carboidratos podem ser 
detectados por cromatografia gasosa 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 Teste de Voges Proskauer 
 
 Via fermentação butileno-glicólica 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
Fermentação ácida mista 
 Teste Vermelho de metila 
 
 Fermentação ácida mista 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 Teste de oxidação/fermentação (O/F) 
 
 
 
 
 
 Diferenciar bactérias de acordo com a capacidade 
de oxidar ou fermentar carboidratos específicos – 
distingue microrganismos aeróbicos e anaeróbicos 
facultativos 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 Teste do citrato 
 
 Utilização do citrato como única fonte de carbono 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 
 Teste de hidrólise da uréia 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 
 Metabolismo oxidativo 
 
 Enzima respiratória:catalase 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
Metabolismo oxidativo 
 Metabolismo oxidativo 
 
 Teste de redução do nitrato a nitrito 
 
 NO3
- Nitrato redutase NO2
- 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 Metabolismo oxidativo 
 
 
 Teste de citocromo-oxidase 
 
 
 
Citocromo-oxidase – componente da cadeia respiratória que 
transfere elétrons do citocromo c para O2 
 
 Reagente dicloridrato de tetrametil-p-fenilenodiamina é 
incolor na forma reduzida, quando em contato com a colônia 
de bactéria produtora de oxidase torna-se azul-púrpura em 
30 segundos 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 Catabolismo protéico 
 
 Gelatinase 
 
 Triptofanase (produção de indol) 
 
 Tiossulfato redutase (produção de H2S) 
 
 Aminoácido-desaminases (triptofano ou 
fenilalanina desaminase) 
 
 Aminoácido-descarboxilases (lisina, arginina e 
ornitina descarboxilases) 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 Teste de hidrólise da gelatina 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 Teste de produção de Indol 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 Teste de produção de H2S 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 Teste de descarboxilação da lisina 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 Teste de descarboxilação da arginina 
 
 Arginina → citrulina → ornitina → putrescina 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 Teste de descarboxilação da ornitina 
 
 Ornitina → Putrescina 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 Teste fenilalanina desaminase 
Testes bioquímicos para identificação de bactérias 
 Kit 20 E bioMérieux 
 
Via das pentoses 
 
Inter-relação metabólica entre a via glicolítica e a via das 
pentoses 
Via 6-fosfogluconato 
 
Via 6-fosfogluconato