Metabolismo Microbiano

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA 
Aula teórica 
Microbiologia Agrícola 
Metabolismo microbiano, biossíntese e nutrição dos microrganismos 
Metabolismo: Soma de todas as reações químicas dentro de um organismo. Pode 
ser visto como uma ato de balanceamento de energia. Divide-se em duas classes 
de reações químicas: as que liberam energia (catabólicas ou degradativas) e as 
que requerem energia (anabólicas ou de biossíntese). 
 Os sistemas vivos apresentam a habilidade de organizar moléculas e reações 
químicas em sequências sistemáticas cuidadosamente controladas 
Anabolismo: Refere-se a construção de moléculas orgânicas complexas a partir 
de moléculas mais simples através de reações reguladas por enzimas e que 
requerem energia. 
 
* Envolvem reações de síntese por desidratação. 
* Requerem mais energia do que produzem. 
 
 Ex: formação de proteínas a partir de aminoácidos, ácidos nucléicos a partir 
de nucleotídeos e polissacarídeos a partir de açúcares simples. 
 
Catabolismo e Anabolismo 
Catabolismo: Quebra de compostos mais complexos em compostos mais 
simples através de reações químicas reguladas por enzimas que liberam 
energia. 
 
* São geralmente reações de hidrólise 
* São exergônicas (produzem mais energia do que consomem). 
 
 Ex: Células quebram açúcares em dióxido de carbono e água. 
ENERGIA: MACRO- 
MOLÉCULAS 
ULTRAESTRUTURAS 
MONÔMEROS 
ATP 
Nutriente 
Oxidação: 
Redução: 
Catabolismo Anabolismo 
Enzimas: catalisadores biológicos 
•Nas células vivas as enzimas atuam como catalisadores: São específicas e 
atuam em uma substância específica (substrato da enzima). 
Nomenclatura das Enzimas 
 Terminação -ase-, 
Oxido-redutases (reações de oxidação-redução ou transferência de elétrons – 
Desidrogenases e Oxidases) 
 
 
Transferases (transferem grupos funcionais como amina, fosfato, acil, carboxil) 
 
 
Hidrolases (reações de hidrólise de ligação covalente - Peptidases) 
 
 
Liases (catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de água, 
amônia e gás carbônico) 
 
 
Isomerases (reações de interconversão entre isômeros óticos ou geométricos) 
 
 
Ligases (catalisam reações de formação de novas moléculas a partir da ligação entre duas 
pré-existentes, sempre às custas de energia - Sintetases) 
Componentes das Enzimas 
 Cofatores Enzimáticos: 
 
 Cofatores são pequenas moléculas orgânicas ou inorgânicas que são 
necessárias para a função de uma enzima. 
 
 Estes cofatores não estão ligados permanentemente à molécula da 
enzima mas, na ausência deles, a enzima é inativa. 
 
 A fração protéica de uma enzima, na ausência do seu cofator, é 
chamada de APOENZIMA; Enzima + Cofator, chamamos de 
HOLOENZIMA; 
 
 Coenzimas são compostos orgânicos, quase sempre derivados de 
vitaminas, que atuam em conjunto com as enzimas. 
Fatores que influenciam a atividade enzimática 
 
Temperatura: A velocidade da maioria das reações químicas aumenta com o 
aumento da temperatura. Para reações enzimáticas, no entanto, a elevação além de 
uma certa temperatura reduz drasticamente a velocidade da reação. Este 
decréscimo é devido à desnaturação da enzima, a perda de sua estrutura 
tridimensional característica. 
 
 
 
 
pH: A maioria das enzimas tem um pH ótimo no qual sua atividade é 
caracteristicamente máxima. Quando a concentração de H+ (pH) no meio é trocada, 
a estrutura tridimensional das proteínas é alterada. Trocas extremas no pH podem 
causar desnaturação. 
 
 
Concentração do substrato: Há uma velocidade máxima na qual uma certa 
quantidade de enzima pode catalisar uma reação específica. Sob condições de alta 
concentração de substrato, a enzima se encontra saturada. 
•Ex: a temp. ótima das bactérias que incitam 
doença no corpo humano é de 35°C a 40 °C. 
 
Presença de inibidores enzimáticos 
Inibidores: 
 
Os inibidores competitivos ocupam o sítio ativo de uma enzima e 
compete com o substrato normal pelo sítio ativo. 
 
 
Preferência pH alcalino 
Temperatura de incubação 
PRODUÇÃO DE ENERGIA 
Reação de Oxidação – Redução (redox) 
 
Oxidação: é a perda de elétrons (e-) de um átomo ou molécula, tal reação 
pode produzir energia. 
 
Redução: a molécula ganha um ou mais elétrons. 
Esta reações estão sempre acopladas, cada vez que uma substância 
sofre oxidação (perdeu um o mais elétrons) outra é simultaneamente 
reduzida, ou seja ocorre sua redução (ganhou um ou mais elétrons) 
 
 
A maioria das oxidações biológicas envolvem a perda de átomos de 
hidrogênio= denominam-se desidrogenação. 
 
REAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO 
A B A oxidada B reduzida 
Reações Redox Biológicas: Importância 
 As células as utilizam no catabolismo (Quebra de compostos mais complexos 
em compostos mais simples) para extrair energia das moléculas nutrientes 
 
 
 As células degradam os nutrientes: compostos altamente reduzidos (com 
muitos átomos de H) são convertidos em compostos altamente oxidados 
 
 
 Ex: Degradação da molécula de Glicose (C6H12O6) em CO2 e H2O. 
 Glicose: composto altamente reduzido que contém grande quantidade de 
energia potencial 
Sua degradação química durante o processo de respiração celular dá 
origem a energia química (armazenada em moléculas de ATP - entre 36 e 
38 moléculas de ATP por molécula de glicose), gás carbônico e água. 
ATP e Fosforilação 
 Quando os grupos fosfatos são removidos da molécula de ATP, 
ligações de alta energia são quebradas e a energia é liberada. 
 
 
 Fosforilação: É a adição de um grupo Fosfato (~P~) a um composto 
químico. 
 
 
 Exemplo: Fosforilação em nível de substrato 
 
 
Fosforilação 
 Fosforilação a nível de substrato: ATP é normalmente 
gerado quando um ~P~ de alta energia é transferido de um 
composto fosforilado a ADP. 
Ocorre no citoplasma. 
P 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
P 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
Composto fosforilado 
ADP P 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
ATP 
Vias metabólicas de produção de energia 
 Catabolismo de carboidratos: Quebra da 
molécula de carboidrato para produzir energia 
 Glicose: fonte mais comum de energia de 
carboidrato utilizada pela célula. 
 Microrganismos: também podem catabolizar 
diversos lipídeos e proteínas. 
 Para produzir energia a partir da Glicose os 
microrganismos utilizam dois processos: 
1. Respiração celular 
2. Fermentação. 
 
 Etapas Respiração e Fermentação 
1. Glicólise: é a oxidação da Glicose em ácido pirúvico com a produção de ATP e NADH 
contendo energia. 
 
1. Ciclo de Krebs: é a oxidação do acetil (derivado do ácido pirúvico) em CO2 com a 
produção de algum ATP, NADH contendo energia e um outro transportador de 
elétrons reduzido (FADH2). 
 
1. Cadeia de transporte de elétrons: NADH e FADH2 são oxidados, entregando elétrons 
para uma cascata de reações redox. A energia destas reações gera uma considerável 
quantidade de energia (a maior quantidade de energia é gerada neste passo). 
 
Fermentação: Começa com a Glicólise. O ácido pirúvico é um dos produtos. Esses produtos 
dependem do tipo de microrganismo e podem ser: ácido lático, etanol, ácido acético 
etc. 
 
 Não há ciclo de krebs nem cadeia de transporte de elétrons. 
 O rendimento de ATP é muito baixo (advém somente da glicólise). 
 
REAÇÃO TOTAL PARA A RESPIRAÇÃO EM 
MICRORGANISMOS 
C6H12O6 + 6O2 + 38ADP + 38P  6CO2 + 6H2O + 38ATP 
Glicose Oxigênio 
Dióxido 
de 
carbono 
Água 
Respiração Celular: aeróbica e anaeróbicaApós a glicose ter sido quebrada o ácido pirúvico pode ser 
guiado para: fermentação ou respiração celular. 
Respiração celular: É definido como um processo de 
geração de ATP em que as moléculas são oxidadas e o 
aceptor final de elétrons é quase sempre uma molécula 
inorgânica. Uma característica essencial é a ação de uma 
cadeia de transporte de elétrons. 
Aeróbica: O aceptor final de elétrons é o O2. 
Anaeróbica: O aceptor final de elétrons é uma molécula 
inorgânica (nitrato (NO-3)). 
Respiração anaeróbica 
* Uma organismo anaeróbico é aquele que não utiliza oxigênio e que ainda pode 
ser morto por ele. 
 
Na respiração anaeróbica, o aceptor final de elétrons é uma molécula inorgânica 
que não o oxigênio molecular. Nitratos (NO3-), íons nitrito (NO2-), óxido nitroso 
(N2O) ou gás nitrogênio (N2). 
X 
Nitrato (NO3-) 
Fermentação 
Libera energia de açúcar ou moléculas orgânicas, tais como aminoácidos, 
ácidos orgânicos, purinas e pirimidinas. 
Não requer oxigênio (mas algumas vezes pode ocorrer na 
presença deste) 
 Exemplo: as bactérias ácido-lácticas podem manter a fermentação 
em presença de O2. 
 
Não requer o uso do ciclo de Krebs ou uma cadeia de transporte 
de elétrons 
 
Utiliza uma molécula orgânica como aceptor final de elétrons 
 
Produz somente pequenas quantidades de ATP (somente uma ou 
duas moléculas de ATP para cada molécula de material inicial) 
devido ao fato de grande quantidade da energia original da glicose 
permanecer nas ligações químicas dos produtos finais orgânicos, 
tais como ácido lático ou etanol. 
* Desta forma, a fermentação é um processo onde ocorre oxidação parcial dos 
compostos orgânicos, que podem ser açúcares, proteínas, ácidos, entre outros. 
 
* Como o processo é parcial, há apenas uma pequena fração de energia 
liberada. 
 
* Por exemplo, após a quebra da glicose, originando ácido pirúvico, este pode 
ser convertido a outro composto orgânico, por um processo de fermentação. 
 
* Assim, a fermentação é um processo que não depende do ciclo de Krebs, ou 
da cadeia de transporte de elétrons. 
 
 
* Existem vários tipos de fermentações microbianas, sendo os exemplos mais 
conhecidos a fermentação alcoólica e a fermentação lática. 
 
 
A fermentação é um conjunto de reações químicas 
controladas enzimaticamente, em que uma molécula 
orgânica (geralmente a glicose) é degradada em 
compostos mais simples, liberando energia. 
Exemplos de fermentações 
(Adaptado de Tortora et al., Microbiology, an introduction, 1996) 
Gênero Produtos finais da fermentação 
Streptococcus, Lactobacillus, 
Bacillus 
Ácido lático 
Saccharomyces Etanol e CO2 
Propionibacterium Ác. propiônico, ác. acético, CO2, H2 
Clostridium Ác. butírico, butanol, acetona, álcool 
isopropílico e CO2 
Escherichia, Salmonella Etanol, ác. lático, ác. succínico, ác. 
acético, CO2, H2 
Enterobacter Etanol, ác. lático, ác. fórmico, 
butanodiol, acetoína, CO2, H2 
 
PRODUTOS FINAIS DE FERMENTAÇÕES 
MICROBIANAS 
CATABOLISMO 
DE LIPÍDEOS 
Catabolismo das proteínas 
* As proteínas são muito grandes para 
atravessarem a membrana plasmática 
 
 
* Os microrganismos produzem proteases e 
peptidases extracelulares para quebrar proteína 
em aminoácido. 
 
 
* Aminoácidos precisam ser convertidos para 
entrarem no ciclo de Krebs: desaminação, 
descarboxilaçao, desidrogenação. 
CATABOLISMO DE PROTEÍNAS 
Proteases: Proteínas  peptídeos e aminoácidos 
Peptidases: Peptídeos  aminoácidos 
Aminoácido  ácido orgânico  ciclo de Krebs 
Aminoácido  ácido orgânico  fermentação 
Desaminação: retirada de aminas do esqueleto carbônico de 
aminoácidos/compostos orgânicos nitrogenados. 
Vários mecanismos de desaminação. 
 
R-CH-COOH + 2H+  R-CH2-COOH + NH3 
 NH2 
CATABOLISMO 
DAS 
MOLÉCULAS 
ORGÂNICAS 
BIOSSÍNTESE E NUTRIÇÃO DOS MICRORGANISMOS 
VIAS METABÓLICAS DE USO DE ENERGIA (ANABOLISMO) 
* Estes processos bioquímicos são endergônicos – requerem energia 
Fontes de energia : ATP(adenosina trifosfato),GTP( guanosina trifosfato ),UTP 
(uridina trifosfato) 
 
 
* Energia necessária para biossíntese de componentes químicos da células 
como DNA, RNA, proteínas, peptideoglicano da parede celular e fosfolipídeos 
da membrana celular 
 
 
* Energia necessária para processos vitais como: mobilidade e transporte 
ativo de nutrientes através da membrana celular 
BIOSSÍNTESE DE POLISSACARÍDEOS 
Átomos de carbono necessários para sintetizar a glicose: produzidos 
durante processos como a glicólise e Ciclo de Krebs. 
Bactérias podem recompor a glicose em vários polissacarídeos 
complexos. 
Para isso, as unidades de glicose devem ser fosforiladas e ligadas.