Produção de Energia por Micro-organismos

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Produção de energia por 
micro-organismos 
Fernanda Abreu 
fernandaaabreu@micro.ufrj.br 
Farmácia Noturno 2013 
Introdução 
• Micro-organismos estão em toda parte 
• Especialmente procariotos 
– Apresentam grande diversidade metabólica 
• Utilização de nutrientes diversos 
• Diferentes mecanismos de obtenção de energia 
 
Fontes de energia utilizadas pelos 
seres vivos 
LUZ 
Substâncias químicas 
Processos de obtenção de energia 
• São caracterizados por reações de oxidação e 
redução; 
• Uma substância doa elétrons e outra recebe; 
• Quando a substância que doa elétrons é : 
– Inorgânica: organismo é litotrófico 
– Orgânica: organismo é organotrófico 
 
 
Tipos de processos de obtenção de 
energia 
Produção de energia por micro-organismos 
• Como a célula armazena energia? 
– Através de ligações químicas nas moléculas, isto é, 
energia química. 
– A variação de energia livre (Δ G ) ocorre nas diversas 
reações celulares. 
– Definição de energia livre (G): energia disponível para 
realizar trabalho. 
• Δ G negativo = liberação de energia, processos catabólicos 
• Δ G negativo = consumo de energia, processos anabólicos 
Produção de energia por micro-organismos 
• Moléculas carreadoras de energia na célula: 
 
– Nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+) 
• E sua forma fosforilada NADP+ 
• Transportam prótons e elétrons 
– Adenosina trifosfato (ATP) 
Processos de síntese de ATP 
• São chamados de fosforilação: 
– Adição de fosfato a ADP 
 
ADP + Pi + Energia  ATP 30,5 kJ/mol 
• Processos de síntese de ATP 
– Fosforilação ao nível do substrato; 
– Fosforilação por transporte de elétrons; 
– Fosforilação por força íon-motiva. 
 
1. Fosforilação ao nível do substrato 
• É o processo no qual o grupo fosfato de um 
composto químico é removido e adicionado 
diretamente ao ADP. 
Fosfoenolpiruvato  Pirivato + Pi ΔG = -61,9 kJ/mol 
 
ADP + Pi  ATP ΔG = +30,5 kJ/mol 
________________________________________________ 
 
Fosfoenolpiruvato + ADP  Piruvato + ATP ΔG = -31,4 kJ/mol 
- Ocorre em vias de degradação da glicose e no metabolismo fermentativo 
2. Fosforilação por transporte de elétrons 
• Síntese de ATP ocorre em membrana celular. 
– Mitocôndrias e cloroplastos: eucariotos 
– Membrana plasmática: procariotos 
 
• Elétrons transferidos de compostos químicos a 
carreadores (NAD+ e NADP+) são 
transportados através de diferentes proteínas 
carreadoras na membrana até o aceptor final. 
2. Fosforilação por transporte de elétrons 
• Composto químico: perde elétrons, sendo 
este o doador de elétrons, e, por isso, sofre 
oxidação. (reação de oxidação) 
• Composto químico: recebe elétrons, sendo 
este o aceptor de eletrons, e, por isso, sofre 
redução (reação de redução). 
 
Litotrófico X Organotrófico 
 
Respiração aeróbica X anaeróbica 
2. Fosforilação por 
transporte de elétrons 
• Tendência da 
substância em 
doar ou receber 
elétrons 
 
 
-Essa tendência é chamada de potencial de 
redução (E). 
 
-E é definido como a voltagem necessária para 
remover elétrons de uma substância 
 
-Quanto mais negativo, maior a probabilidade de a 
substância doar elétrons. 
 ΔG = -nFΔE 
2. Fosforilação por transporte de elétrons 
• Componentes da cadeia transportadora de 
elétrons em procariotos: 
– Flavoproteínas: FMN - flavina mononucleotídeo 
FAD - adenina dinucleotídeo 
– Quinonas: coenzima Q: ubiquinona (aeróbicas, eucariotos) 
 menaquinona (anaeróbicas) 
*metabolismo facultativo tem as duas 
– Ptns ferro-enxofre: contém arranjos de no iguais de Fe e S 
– Citocromos: ptns com grupo prostético heme 
 
2. Fosforilação por transporte de elétrons 
Potencial de redução 
Fosforilação oxidativa: respiração aeróbica 
2. Fosforilação por transporte de elétrons 
2. Fosforilação por transporte de elétrons 
• Transporte de prótons através da membrana 
forma um gradiente eletroquímico; 
• Energia do gradiente é utilizada na síntese de 
ATP pela ATPase ou ATP sintase. 
 
F0  ptns a,b, c 
• Força próton-motiva é 
utilizada em outros 
processos 
dependentes de 
energia: 
– No transporte de 
substâncias; 
– Rotação do flagelo 
Força “sódio-motiva”: bactérias marinhas 
2. Fosforilação por transporte de elétrons 
3. Fosforilação por força íon-motiva 
• Outras formas de obtenção de gradiente 
eletroquímico: 
– Excreção de produtos finais do metabolismo 
– Antiporte de compostos; 
– Reações de descarboxilação; 
– Oxidação extracitoplasmática; 
Resumo dos processos de síntese de 
ATP em procariotos 
Metabolismo Quimiorganotrófico 
• Fonte de energia: compostos orgânicos 
• Principal composto orgânico utilizado: glicose 
• Utilizada nos processos: 
– Respiração: aeróbica 
 anaeróbica 
– Fermentação 
Metabolismo Quimiorganotrófico 
• Respiração aeróbica: 
– Processo em que ocorre a oxidação completa da 
substância orgânica utilizando o O2 como aceptor 
final de elétrons. 
 C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O 
- Processo complexo dividido em 3 partes: 
- Vias Glicolíticas 
- Ciclo de Kerbs 
- Fosforilação Oxidativa 
Metabolismo Quimiorganotrófico 
• Respiração aeróbica: 
- Vias Glicolíticas: clivagem da glicose 
- Via Embden-Meyerhof 
- Entner-Doudoroff 
- Via das Pentoses-fosfato 
- Ciclo de Krebs 
- Fosforilação Oxidativa 
Metabolismo Quimiorganotrófico 
• Respiração aeróbica: 
- Vias Glicolíticas: clivagem da glicose 
- Via Embden-Meyerhof (eucariotos e procariotos) 
 
Glicose  2 ATP + 2 NADH + 2H+ + 2 Piruvato 
 
- Entner-Doudoroff 
 
Glicose  ATP + NADPH + H+ + NADH + H+ + 2 Piruvato 
 
- Via das Pentoses-fosfato 
 
Glicose  ATP + 2 NADPH + 2H+ + CO2 + Pentose-fosfato 
 
Metabolismo Quimiorganotrófico 
• Respiração aeróbica: 
– Vias Glicolíticas: clivagem da glicose 
Via Embden-Meyerhof 
Entner-Doudoroff 
Via das Pentoses-fosfato 
 
 
 
Intermediário em comum: 
 
Gliceraldeído 3-fosfato 
 
Convertido em 
 
Piruvato 
Metabolismo Quimiorganotrófico 
• Respiração aeróbica: 
- Ciclo de Krebs: 
- Segunda etapa da respiração de procariotos e 
eucariotos 
- Ciclo dos ácidos tricarboxílicos ou ciclo do ácido cítrico 
Metabolismo Quimiorganotrófico 
• Respiração aeróbica: 
- Fosforilação Oxidativa: 
- Última etapa da respiração 
- Quando ocorre a síntese de ATP por meio de fosforilação por 
transporte de elétrons 
 
Metabolismo Quimiorganotrófico 
• Resumo da respiração 
Metabolismo Quimiorganotrófico 
• Respiração anaeróbica: 
Metabolismo Quimiorganotrófico 
• Fermentação: 
– Oxidação parcial do composto orgânico. 
– É um metabolismo anaeróbico: ocorre na ausência de O2. 
– O aceptor de elétrons é a própria molécula orgânica. 
Metabolismo Quimiorganotrófico 
• Fermentação: 
– Metanogênese: ocorre em ambientes onde 
bactérias liberam substratos orgânicos como 
acetato, que são fermentados por arqueas, 
gerando CH4. 
– Processo é considerado fermentação, pois o 
acetato não é completamente oxidado a CO2. 
– Metanogênise acetoclástica e metilotrófica 
(metanol). 
Metabolismo Quimiorganotrófico 
• Comparação respiração X fermentação 
Metabolismo Quimiolitotrófico 
• Procariotos são os únicos capazes de utilizar compostos inorgânicos como 
fonte de energia. 
• É um processo de baixo rendimento energético e por isso grandes 
quantidades de compostos inorgânico são oxidadas. 
• Ex.: Rio Tinto- bactérias oxidantes de Fe2+ 
Metabolismo Quimiolitotrófico 
• Bactérias oxidantes de ferro Rusticianina: ptn periplasmática 
Metabolismo Quimiolitotrófico• Outros metabolismos quimiolitotróficos e seu rendimento energético 
Metabolismo Quimiolitotrófico 
• Outros metabolismos quimiolitotróficos e seu rendimento energético 
Metabolismo Quimiolitotrófico 
• Metanogênese: 
– Grupo de procariotos que utiliza H2 como doador 
de elétrons e CO2 como aceptor. 
 
– Metanogênese: 
 4H2 + CO2  CH4 + 2H2O 
Metabolismo Quimiolitotrófico 
• Nitrificação: 
– Oxidação da amônia a 
nitrato. 
– Ocorre em 2 etapas: 
- Amônia  Nitrito: 
Nitrosomonas 
 amônia mo-oxigenase: NH3  hidroxilamina 
:hidroxilamina oxirredutase: hidroxilamina  
nitrito 
- Nitrito  Nitrato: 
Nitrospira 
nitrito oxirredutase 
Processo aeróbico 
Metabolismo Quimiolitotrófico 
• Anamox: 
– Reação de oxidação anaeróbica da amônia. 
– Realizada por um grupo específico de bactérias. 
Planctomyces- possuem compartimentos envoltos 
por membrana 
 NH4
+ + NO2
-  N2 + 2H2O ΔG = -357 kJ 
Aceptor final de elétrons 
Metabolismo Fototrófico 
+ Fotolitotroficos: compostos inorgânicos como doadores de elétrons 
+ Fotoorganotróficos: compostos orgânicos como doadores de elétrons 
Metabolismo Fototrófico 
• Bactérias Fototróficas: Cianobactérias, proclorófitas, 
bactérias verdes, púrpuras e heliobactérias. 
 
• Componentes funcionais para realização da fotossíntese: 
– Pigmentos capazes de captar luz; 
– Cadeia transportadora de eletrons; 
– ATPase. 
 
• Absorção de fóton por uma molécula: 
– Molécula no estado excitado: elétron move-se para orbital 
superior. 
– Essa forma é instável. Pode ocorrer emissão de luz, calor ou o 
elétron pode ser transferido para outra molécula. 
 
Metabolismo Fototrófico 
Metabolismo Fototrófico 
Principais pigmentos de fotossíntese em bactérias : 
1. Clorofilas (fotossíntese oxigênica)* 
2. Bacterioclorofilas (fotossíntese anoxigênica)* 
3. Carotenoides 
4. Ficobilinas 
 
* Espectro de absorção específico 
Metabolismo Fotototrófico 
1. Clorofilas: 
Chl a 680 e 430 nm; 480 carotenoide 
Bchla 870, 805, 590, 360 nm; 525 e 475 carotenoide 
Metabolismo Fototrófico 
Metabolismo Fototrófico 
1. Clorofilas: 
• Técnica fundamental para estudo dos micro-
organismos do ambiente 
• Sergei Winogradsky 
– Coluna de Winogradsky 
– Ecossistema artificial 
• Lodo orgânico 
• Substratos (fonte de C) 
• Carbonato de cálcio 
• Sulfato de cálcio 
 
Coexistência 
Metabolismo Fototrófico 
1. Clorofilas: Organização dos pigmentos na célula; 
está associadas a ptns, formando complexos 
 
• Centros de reação: 
- Moléculas de pigmento que participam 
diretamente da conversão de energia 
luminosa em ATP. 
 
• Pigmentos antena: 
- Molécula de clorofila/bacterioclorofila 
encontradas ao redor do CR que absorvem a 
luz e a condizem para o CR. 
 
Metabolismo Fototrófico 
1. Clorofilas: 
• Organização de pigmentos na célula 
- Invaginações da membrana citoplasmática 
- Na própria membrana; 
- Estruturas especializadas envoltas por não unidade de 
membrana - CLOROSSOMOS 
 
Bactérias verdes 
sulfurosas 
 
Clorossomo: estrutura 
altamente eficiente na 
captação o de luz. 
Metabolismo Fototrófico 
2. Carotenoides: 
 
- Pigmento acessório amplamente distribuído; 
 
- São hidrofóbicos, sensíveis a luz e firmemente associados à 
membrana. 
 
- Geralmente amarelos, vermelhos, marrons ou verdes. 
 
- Estão associados à clorofila ou bacterioclorofila nos complexos 
fotossintéticos, mas não atuam diretamente na síntese de ATP. 
 
- Atuam na captação e transferência de luz para o CR. 
 
- Atuam como foto-protetores: dissipam espécies tóxicas de 
oxigênio e absorvem luz que seria prejudicial. 
 
 
Metabolismo Fototrófico 
2. Ficobilina e ficobilissomos: 
 
- Pigmento acessório presente em cianobactérias; 
- Pigmento antena; 
- Podem ser vermelhos ou azuis: absorvem luz em 
diferentes λ 
- Formam agregados: ficobilossomos 
 
Atuam na captação e 
transferência de luz para o CR 
Fotossíntese oxigênica 
Mecanismo de síntese de ATP: Fotofosforilação acíclica 
ferredoxina 
Fotossíntese anoxigênica 
• Encontrada em bactérias púrpura sulfurosa, verde não 
sulfurosas e sulfurosas e heliobactérias. 
• Aparato fotossintético organizado em vesículas membranosas 
(cromatóforos) ou pilhas de membranas (lamelas). 
Fotossíntese anoxigênica 
P870: CR 
Mecanismo de síntese de ATP: Fotofosforilação cíclica 
Aula Prática 
26/08/2013 
Prática 5 
Observação microscópica de micro-organismos 
do ambiente 
Técnicas de isolamento de micro-organismos: 
esgotamento 
Obtenção de cultura pura 
Prática 5 
• Observação microscópica dos micro-organismos do 
ambiente. 
• Preparação a fresco: 
– Flambar a alça de platina 
– Colocar a solução salina estéril na lâmina utilizando a alça e 
respeitando as manobras assépticas; **** Se for cultura líquida 
não é necessário. 
– Flambar a alça de platina; 
– Colocar uma porção da cultura suspensão bacteriana em uma 
lâmina utilizando a alça e respeitando as manobras assépticas 
– Cobrir com a lamínula. 
– Adicionar uma pequena gota de óleo de imersão e observar com 
objetiva de imersão (100 X). 
 
Prática 5 
• Técnicas de isolamento de micro-organismos: 
Esgotamento 
– MEIO DE CULTURA: 
 Material nutriente preparado no laboratório 
para o crescimento de microrganismos. Os 
microrganismos que crescem e se multiplicam 
nos meios de cultura são denominados 
cultura. 
 
Prática 5 
• Técnicas de isolamento de micro-organismos: Esgotamento 
 
- MEIO DE CULTURA: 
 Material nutriente preparado no laboratório para o crescimento de 
microrganismos. Os microrganismos que crescem e se multiplicam nos 
meios de cultura são denominados cultura. 
 
 - Fatores Necessários para o Crescimento 
 Os fatores necessários para o crescimento bacteriano podem ser divididos 
em duas categorias principais: 
 
 1. Fatores físicos: temperatura, pH, pressão osmótica. 
 
 2. Fatores químicos: água, fonte de carbono, nitrogênio, minerais, 
oxigênio e fatores orgânicos de crescimento. 
 
Prática 5 
• Tipos de meio 
– Seletivo: componentes adicionados inibem crescimento de 
determinados micro-organismos. 
Ex.: utilização de cicloheximida para inibição de eucariotos em 
enriquecimento de procariotos; ou antibióticos como ampicilina no 
sentido contrário. 
 
– Diferencial: adição de componentes que resultam no crescimento 
diferenciado que permite a distinção de tipos de bactérias. 
Ex.: utilização de indicadores de pH como bromocresol, na identificação 
de bactérias produtoras de ácido. 
 
– Enriquecimento: meio com componentes que permitem o 
crescimento de tipos específicos enquanto inibem o crescimento da 
microbiota contaminante. 
 
Prática 5 
Técnicas de isolamento de micro-organismos: Esgotamento 
 Método de Semeadura por Esgotamento 
 - A maioria dos materiais infecciosos ou provenientes de solo, 
água ou mesmo alimentos possui uma grande variedade de 
microrganismos. Como separar? 
 - Semeadura em meios sólidos e observação do formato 
das diferentes colônias, coloração das colônias, etc... . 
 
Prática 5 
Técnicas de isolamento de micro-organismos: 
Esgotamento 
 - Semeadura por esgotamento : 
 Largamente empregado para isolamento de 
microrganismos presentes em grandes números 
relativos à população microbiana. 
 
Prática 5 
Técnicas de isolamento de micro-organismos: 
Esgotamento 
• Proceder da seguinte maneira: 
– realizar o maior número de estrias possíveis. 
– Não perfurar o meio. 
– Não voltar com a alça sobre as estrias. 
– Utilizar pequena quantidade de material parasemear. 
 
Prática 5 
• OBJETIVOS DA PRÁTICA 
– Mostrar ao aluno os métodos de obtenção de 
cultura pura. 
– Treinar o aluno na execução da técnica de 
isolamento. 
 
Prática 5 
Técnica de isolamento de bactérias (obtenção de cultura em meio sólido). 
• Utilizar uma suspensão mista de bactérias (Serratia + Micrococcus) a ser 
distribuída pelo professor. 
 
• Flambar a alça e retirar com ela uma pequena gota da suspensão mista de 
bactérias. Semeá-la sobre a superfície de um meio sólido (ágar-simples) 
em placa. A semeadura deve ser feita por estrias, de acordo com o 
esquema da figura abaixo, na seqüência (método de esgotamento). 
– Primeira operação: colocar a gota na superfície do meio e passar a alça em zig-
zag . 
– Segunda operação: mudar a direção do estriamento para a 2a região da placa 
sem tocar nas estrias do primeiro plaqueamento. 
– Terceira operação: mudar a direção do estriamento para a 2a região da placa 
sem tocar nas estrias do segundo plaqueamento. 
 
• Embrulhar as placas e incubar na estufa a 37o C por no mínimo 24 horas.