Metabolismo microbiano parte 1 2017

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

*
METABOLISMO MICROBIANO
Parte 1
*
*
*
Diversidade Metabólica Microbiana
Macronutrientes: C, O, N, S entre outros
Micronutrientes ou elementos traços: Fe, Zn, Ni, Mn, Co
Fatores Químicos e Físicos – para crescimento
*
*
Fatores do ambiente que afetam o crescimento microbiano
 Atmosfera
 Temperatura
 pH
 Disponibilidade de água
*
*
Anaeróbios- uma grande variedade de procariotos, alguns fungos e alguns protozoários
Respiração aeróbia
Respiração aeróbia, anaeróbia ou fermentação
Respiração aeróbia
Fermentação
Respiração anaeróbia ou fermentação
Classificação quanto a exigência de oxigênio
*
*
Curva de Crescimento Celular
*
 É a soma de todos as reações químicas dentro de um organismo vivo.
 Visto como ato de balanceamento de energia 
(liberação ou requerimento de E)
*
METABOLISMO
2 tipos Reações químicas:
Liberam / geração energia- Reações catabólicas ou degradativas
Consomem energia – Reações anabólicas ou biossintéticas
1
*
*
CATABOLISMO E ANABOLISMO
Quebra de polímeros em monômeros – energia resultante armazenada em forma de ATP ou GTP
Síntese de ATP - Liberação de energia em reação de Oxidação-redução
SUBSTRATO
PRODUTO
MACROMOLÉCULAS
MONÔMEROS
*
*
Proteínas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, componentes celulares.
*
*
Requerimento de energia
NECESSIDADES
*
Para a maioria dos microrganismos a energia é retirada de moléculas químicas (nutrientes)
Para outros a energia é proveniente da luz.
*
Fontes de energia
Energia luminosa
Reações
*
*
Reações de oxidação-redução (redox)
São reações onde elétrons se movem de um doador, o agente redutor, para um receptor de elétrons, o agente oxidante.
Elétrons não podem ficar livres na solução – existir como parte de átomo ou molécula
Qualquer substância oxidada deve outra deve ser reduzida
*
*
Reações de oxidação-redução
Molécula orgânica oxidada: perda de 2 átomos H+
Molécula de NAD+ é reduzida
Oxidação – remoção de 1 ou mais elétrons
Redução – adição de 1 ou mais elétrons
Oxidação-redução envolve somente elétrons ou 1 elétron+ 1 protón (H+)
*
*
Reações biológicas de oxirredução
A coenzima reduzida, NADH, contém mais energia que NAD+. Essa energia pode ser usada para gerar ATP em reações posteriores
NAD+ - nicotinamida adenina dinucleotídeo (reações catabólicas – liberam E)
NADP+ - nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato (anabólicas – requerem E)
*
Reação de oxidação-redução, envolvendo as formas oxidadas e reduzidas de NAD+ e NADH
NAD+ e NADH  facilitadores da reação redox sem ser consumido no processo – necessidade de pequena quantidade de NAD+ e NADH para atender enzimas redox presente na célula (coenzimas utilizadas no mecanismos de reação)
*
*
Coenzimas – Carreadores de elétrons 
Carreadores de elétrons  atuam removendo elétrons do substrato e os doando a outras moléculas em reações subsequentes.
Coenzimas mais importantes:
 Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo  NAD+ (reações catabólicas – liberam E)
 Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo Fosfato  NADP+ (anabólicas – requerem E)
 Flavina Mononucleotídeo  FMN
 Flavina Adenina Nucleotídeo  FAD
Grupos prostéticos
*
*
Estrutura da coenzima NAD+ 
Adição de um H = NADH
Transferidor de elétrons
*
Estrutura da coenzima FAD 
*
*
Potencial de Redução - E’0
+ E’0 = tendência de receber elétrons (ser reduzido)
- E’0 = tendência de doar elétrons (ser oxidado)
>E’0  > energia liberada na reação de oxirredução
*
*
Potencial de Redução  Torre Redox
Maneira de visualizar reações de transferência de elétrons em sistemas biológicos - faixa de potenciais de redução possíveis de pares redox (mais negativo – topo – mais positivo – base)
Maior tendência em doar elétrons (substância reduzida)
Maior tendência em receber elétrons (substância oxidada)
Aceptor de elétrons mais forte
∆G0= qto maior distância da queda de elétrons (doador até aceptor) - maior a E liberada
*
Potencial de Redução  Torre
Exemplo microrganismos:
Fermentação
Respiração Anaeróbica
Respiração aeróbica
*
Compostos que armazenam energia
∆G0 (E liberada) da hidrólise da ligação fosfato
Qualquer composto pode ser hidrolisado para gerar energia, porém células utilizam compostos > -30 kJ/mol = “moeda” energética (armazenamento de energia)
Composto de fosfato mais rico em energia
Maior distância-queda de e- (maior E liberada)
-55 a -60 kj (gasto energético real em uma célula) – síntese de 1 mol de ATP
*
*
Compostos que armazenam energia - ATP
Substância solúvel
Moléculas para reserva temporária de energia
Energia para trabalho celular (liberação de energia – conversão de ATP = ADP + Pi
Polímeros insolúveis – depositados na célula como grandes grânulos (reserva de energia a longo prazo)
*
*
Produção de ATP
Uma fonte de energia (doador de e-)
Transferência dos e- para carreador durante a reação de oxidação-redução
Transferência dos e- um aceptor final
*
1) Fosforilação em nível de substrato
2) Fosforilação oxidativa
3) Fotofosforilação 
– Ocorre somente em células fotossintéticas (contém pigmentos)
Ex2) 1,3 di-P-glicerato
3-P glicerato
Ex1) 2-P-glicerato
PEP
piruvato
ADP + Pi + energia ATP
Produção de ATP
ATP formado quando um P diretamente transferido de um composto fosforilado 
e- transferido do composto orgânico para um grupo de carreadores de e- (NAD+ ou FAD), passados através de uma série de diferentes carreadores a 02 ou outras mol. inorgânicas
Inicia o processo de transformação de E luminosa a E química de ATP e NADPH – utilizados para sintetizar mol orgânica
*
1. Fosforilação em nível de substrato
*
Glicólise
Produção de ATP
ATP formado quando um P diretamente transferido de um composto fosforilado (substrato) a ADP 
C-C-C~P + ADP – C-C-C + ATP 
2 ATP
Fosforilada pelo ATP
Reações REDOX
Gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase (redução)
*
2) Fosforilação oxidativa
*
Cadeia de transporte de elétrons - Sequência de carreadores
Produção de ATP
e- transferido composto orgânico para grupo carreadores de e- (NAD+ ou FAD);
Série de diferentes carreadores a 02 ou outras mol. Inorgânicas;
Membrana plasmática (procariotos) ou m. mitocondrial (eucariotos)
Carreadores: formados por coenzimas e grupos prostéticos
Energizada por força proton motiva – estado energizado da membrana
Dissipa parte da energia na formação de ATP
*
3.Fotofosforilação
O NADPH é utilizado para reduzir o CO2 no processo de fixação do CO2
Organismos fototróficos – processo de fotossíntese
Procariotos não possuem cloroplastos – pigmentos fotossintéticos integrados a sistemas membranosos internos
A energia da luz é utilizada para a síntese de ATP
*
Produção de ATP
Cadeia transportadora de elétrons
Fotofosforilação cíclica: direto da energia solar
Fotofosforilação acíclica:
Fotossistema I – predomina a clorofila a (cianobactérias) – ao ser iluminada perde par de e- (recolhido por aceptor especial - ferridoxina);
Fotossistema II – clorofila b (ex: bactérias púrpuras) – excitada pela luz – perde par de e- (atravessam cadeia de citocromos) ocupando local deixado por clorofila a (liberação de E e produção de ATP 
*
3.Fotofosforilação
Organismos fototróficos 
Processo de fotossíntese 
A energia da luz é utilizada para a síntese de ATP
*
Produção de ATP
Fotofosforilação cíclica: direto da energia solar
Fotofosforilação acíclica:
Fotossistema I – predomina a clorofila a – ao ser iluminada perde par de e- (recolhido por aceptor especial - ferridoxina);
Fotossistema II – clorofila b – excitada pela luz – perde par de e- (atravessam cadeia de citocromos) ocupando local deixado por clorofila a (liberação de E e produção de ATP 
*
Catabolismo das Moléculas Orgânicas
*
Reação catabólica ou degradativa: Quebra de compostos orgânicos complexos em simples
Reações
de hidrólise e exergônica (produzem + E que consomem)
2
*
*
GLICOSE: principal fonte de energia de carboidrato
2ATP
2ATP
34ATP
38ATP (Total)
Oxidação do acetil (derivado do Ác. Pirúvico) em CO2 
NADH e FADH2 – oxidados e entregues a uma “cascata” de reações e a energia gera ATP
Etanol
Ácido Lático
*
*
Respiração 
Processo de geração de ATP  moléculas são oxidadas até um aceptor final de elétrons. 
Respiração aeróbica: O2 – aceptor final de elétrons.
Respiração anaeróbica: NO3-, SO42-, CO32-, fumarato – aceptores finais de elétrons. 
*
Objetivo: Oxidação de carboidratos (principalmente glicose) à piruvato. (1a etapa no catabolismo de carboidratos)
2 estágios: 
  Estágio 1- sem reação de óxido-redução. 
		 - Consumo de 2 ATPs
		 Estágio 2- reação de óxido-redução e produção de 4 ATPs
Rendimento energético líquido: 2ATPs + 2 NADH + H+
Alguns compostos intermediários são usados na via biossintética
*
Glicólise ou via Embden-Meyerhorf-Parnas
Via Pentose Fosfato – simultaneamente com a glicose e fornece condições para quebra de açúcar de 5C
Importante.: Via importante produtora de coenzima reduzida NADPH a partir de NADP+
Produz somente 1 mol. de ATP
Via Entner-Doudoroff – produz 2 mol de NADPH e 1 mol de ATP (utilizar em reações biossintéticas)
Ex.: Bactérias metabolizam glicose sem glicólise ou Via PF
*
Glicólise
*
Redução
Produção pela fosforilação a nível de substrato
Via com uma série de 10 reações e cada uma catalisada por 1 enzima diferente
Glicose entra na célula - fosforilada
G-6-F rearranjada a F-6-P
P de outro ATP é usado p formar F-1,6-P
Enzima quebra açúcar em 2 mol. De 3C – DHAP e G-3-P
DHAP convertida em G-3-P
Enzima converte GP em Ác.-1,3-DFG
P de alta E é transferido ao ADP formando ATP (1ª ATP)
Enzima transfere P do Ác-3-FG para formar Ác-2-FG
Perde-se mol de H2O (Ác-2-FG é convertido a PEP – ligação fosfato é alta E
P de alta E é transferida PEP ao ADP formando ATP
*
Para cada mol. de ácido pirúvico, 3 mol. de CO2 são formadas.
Série de oxidações-reduções transferem a E potencial para coenzimas transportadoras de e-;
Derivados do Ác. Pirúvico são oxidados e Coenzimas reduzidas;
Formação de compostos intermediários - via anabólica
	Ex: 	Acetil coA síntese de ácidos graxos (onde está armazenada gde qt de E)
 	cetoglutarato e oxalacetato  precursores de diversos aminoacidos
	 	succinil coA  necessario p formação de citocromos, clorofila
 	oxalacetato  síntese de fosfoenolpiruvato para formar glicose (gliconeogênese)
Rendimento líquido: 3 NADH + 1 FADH2 + 1 ATP
*
Ciclo do ácido Cítrico = Ciclo de Krebs (TCA)
*
*
Ciclo do ácido Cítrico = Ciclo de Krebs
Rendimento líquido: 3 NADH + 1 FADH2 + 1 ATP
1: Volta do ciclo começa com uma enzima retirando a porção CoA. Adição de acetil a mol forma ác. citrico
2-4 : Oxidações gerando NADH (oxidação de NAD+) e liberação de CO2
5: ATP formado pela fosforilação a nível substrato
6-8 : Enzimas rearranjam ligações químicas - produção 3 diferentes mol. Antes de regenerar Ác. oxalacético
Não entra diretamente no TCA (perde 1 mol de CO2 e ganha CoA) – descaboxilação
Redução
Átomos de H liberados pela conversão – capturados por NAD e FAD
OBS.: ATP - vem da fosforilação a nível de substrato (Glicólise e Ciclo de Krebs)
*
Carreadores associados à membrana (bactérias).
As reações de transporte de elétrons  membrana citoplasmática  potencial energético (força próton motiva)  energia armazenada na forma de ATP.
Sequência dos carreadores: diferente para cada microrganismo
Alternância dos carreadores que transportam somente elétrons e os que transportam somente átomos de H.
Três principais classes de carreadores: FMN (Flavoproteínas), citocromos e Ubiquinonas (Coenzima Q) – não protéicas.
Objetivo CTE – Liberação de Energia de e- transferido de compostos de alta Energia para compostos de baixa Energia.
*
Cadeia de transporte de elétrons (CTE)
*
*
Cadeia de transporte de elétrons e geração de ATP
Transferência de e- de alta E (NADH a FMN)
NADH Oxidado
FMNH2 transfere 2H+ para outro lado da membrana e 2 e- para Q
e- passados de Q s citocromos – reduz ao receber e- e oxidada ao doar – cit a3 transfere e- ao O2
Torna negativamente carregado e recebe próton – H2O
FMN e Q – Absorvem e liberam próton e e-
Citocromos (cit) – Transferência de e-
Acúmulo de prótons – fornece E para geração de ATP
*
*
Cadeia de transporte de elétrons e geração de ATP
*
*
ATP-Sintase - Geração de ATP
Quimiosmose: síntese de ATP utilizando a CTE
E liberada – movimentação ao longo de um gradiente – utilizada para sintetizar ATP
Quimiosmose – responsável pela maior produção de ATP
Canal de proteína que contem a enzima ATP-sintase (difusão de próton através da membrana)
Ocorrência do fluxo: E é liberada e utilizada para sintetizar ATP de ADP+Pi
Complexo que converte força próton motiva em ATP
Polipeptideos diferentes – conversão de ADP+Pi em ATP
*
*
ATP-Sintase - Geração de ATP
*
Balanço energético cadeia de transporte de elétrons 
10 NADH = 30 ATP
2 FADH2 = 4 ATP
34 ATP
*
Cadeia de transporte de elétrons
*
*
ATP: 2 (glicólise) + 2 (Ciclo do ácido cítrico)+34 = 38 ATP (procariotos)
C6H12O6 + 6O2 + 38ADP + 38P  6CO2 + 6H2O + 38ATP (procariotos)
38ATP (procariotos)
36ATP (eucariotos) – 
Parte da E perdida – movimentação de e- 
através da membrana mitocondrial
Balanço energético da respiração aeróbica
*
*
Balanço energético da respiração aeróbica
*
Respiração Anaeróbica
Respiração anaeróbica: o aceptor final de elétrons é uma substância oxidada diferente do oxigênio (O2)
 Aceptor de elétrons pode ser: NO3-, SO4-, CO32-, fumarato
Nenhum aceptor alternativo apresenta potencial tão oxidante quanto O2.
Tem rendimento energético menor do que a respiração aeróbica - variado (microrganismos anaeróbicos tendem a crescer mais lentamente).
Desnitrificação:
NO3- NO2-  NO  N2O  N2 
*
EX.:
*
Potencial de Redução  Torre
Exemplo microrganismos:
Fermentação
Respiração Anaeróbica
Respiração aeróbica
*
*
PRÓXIMA AULA:
Parte 2
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*