Aula 06 Metabolismo Microbiano

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Metabolismo microbiano
Conceitos básicos
Classes microbianas 
Quimiotrofia 
Fototrofia
Quimiolitotrofia 
Integração metabólica
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Metabolismo
Do grego metabole = mudança, transformação
1.Conceitos básicos
Conjunto das reações bioquímicas que ocorrem dentro da célula
Catabolismo 
BIODEGRADAÇÃO
Anabolismo
BIOSSÍNTESE
compostos orgânicos
compostos inorgânicos
luz
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A energia liberada das reações deve ser conservada para utilização pelas células.
A energia é armazenada em ligações químicas de alta energia (fosfato) em moléculas simples, de forma a ser prontamente utilizável.
Estocagem da energia
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O ATP é o composto de alta energia mais importante nos seres vivos.
Apesar disso, sua concentração nas células é relativamente baixa (2 mM).
Para o armazenamento de energia por períodos longos, os microrganismos produzem polímeros insolúveis.
Ex.: polímeros de glicose (amido e glicogênio), polímeros lipídicos, PHAs (biopoliéster).
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Utilização de energia
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É a sequência das reações, começando pelos primeiros ingredientes até o produto final.
As reações metabólicas ocorrem em etapas, nas quais os átomos dos intermediários são re-arranjados até a formação do produto final.
Cada etapa requer uma enzima específica.
 Via metabólica 
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 As reações de oxi-redução (redox)
Um composto se torna oxidado quando:
 Perde elétrons
 Se liga a um átomo mais eletronegativo 
 Isto geralmente ocorre quando se liga ao oxigênio 
- Um composto se torna reduzido quando:
 Ganha elétrons
 Se liga a um átomo menos eletronegativo 
 E geralmente isto ocorre quando se liga ao hidrogênio 
Formas reduzidas de C (carboidratos, metano, lipídios, álcoois) são importantes estoques de energia em suas ligações.
		Formas oxidadas de C (cetonas, aldeídos, ácidos carboxílicos e CO2) 	dispõem de pequeno potencial energético em suas ligações.
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Oxidação-redução de compostos em sistemas biológicos
O doador de elétrons é referido como fonte de energia.
A quantidade liberada de energia depende da natureza do doador quanto do receptor
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É necessário o transporte de elétrons de uma parte para outra da via metabólica. 
Moléculas relativamente pequenas realizam o transporte.
Tipos de transportadores:
 Que se difundem livremente: NAD+, NADP+ (nicotina-adenina-dinucleotídeo)
 Associados à membrana:
	Flavoproteínas FMN/FAD
	Proteínas com Fe e S
	Quinonas (não protéico)
	Citocromos (protéico)
NAD+ + 2H+ + 2e- → NADH + H+
		 alto potencial redutor
Transportadores de elétrons
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2. Classes microbianas
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Fluxo da energia
Rendimento de até 45%
Fosforilação
A produção de ATP é feita por 3 vias:
Fosforilação oxidativa
Fosforilação em nível de substrato
Fotofosforilação
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Mecanismos para conservação de energia
(Síntese de ATP)
Os quimiotróficos apresentam dois mecanismos conhecidos:
1. Respiração: atuam aceptores externos de elétrons (fosforilação oxidativa)
	Podendo ser:
		a) Aeróbia: o aceptor externo é o oxigênio
		b) Anaeróbia: aceptores diferentes do oxigênio (nitrato, sulfato, carbonato, ...)
2. Fermentação: ocorre na ausência de aceptores externos de elétrons 		 (fosforilação em nível de substrato)
1a) Respiração aeróbia
 É o procedimento mais comum às células e compreende 3 etapas:
 Piruvato (glicólise quando o substrato é a glicose)
 Ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs)
 Cadeia respiratória
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Características:
Oxidação parcial da glicose a piruvato
Pequena quantidade de ATP é gerada
Pequena quantidade de NAD é reduzida a NADH
I etapa: Piruvato (via glicolítica)
É considerada a via metabólica mais primitiva, presente em todas as formas de vida atuais.
Ocorre no citoplasma das células. 
H2O
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Existem diversas vias glicolíticas 
Vias glicolíticas importantes nos diferentes microrganismos:
 
Via Embden-Meyerhoff-Parnas (EMP)
	Glicólise clássica
	Presente em todos os organismos vivos 
2. Via Hexose monofosfato (HMP)
	Presente em quase todos os organismos 
	Responsável pela síntese das pentoses usadas na síntese de nucleotídios
3. Via Entner-Doudoroff (ED)
	Encontrada nas Pseudomonas e gêneros relacionados
4. Via Fosfoketolase (FK)
	Encontrada no gênero Bifidobacterium e Leuconostoc
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Produção direta de 1 GTP
guanosina trifosfato (equivalente ao ATP)
Além do papel-chave nas reações catabólicas, é importante nas reações biossintéticas.
Os intermediários são desviados para vias biossintéticas quando necessário:
Exemplos:
Oxalacetato: precursor de aminoácidos
Succinil-CoA: formação de citocromos e da 	clorofila, entre outros
Acetil-CoA: biossíntese de ácidos graxos
II etapa: Ciclo de Krebs
Ocorre no citoplasma (procariotos) e nas mitocôndrias (eucariotos).
Reações preparatórias: formação de composto chave do processo
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III etapa: Cadeia respiratória (sistema de transporte de elétrons)
Ocorre ao nível da membrana citoplasmática (procariotos) e na membrana das mitocôndrias (eucariotos).
Os prótons e elétrons recolhidos na glicólise pelo NAD e no Ciclo de Krebs pelo NAD e FAD são transportados ao longo de uma cadeia de citocromos em níveis sucessivamente mais baixos de energia de modo que seja melhor aproveitada na formação de ATP.
Como o fluxo de elétrons é utilizado para conservar a energia?
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Geração da força protomotiva
Fosforilação oxidativa
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As 3 etapas da via respiratória
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Resumo da respiração aeróbia:
Reações de oxidação e redução em presença de um aceptor de elétrons externo, o O2
A molécula inteira do substrato é oxidada até CO2
Alto potencial de energia
Grande quantidade de ATP pode ser gerada: teoricamente até 38 ATPs
Produção de ATP:
Na cadeia respiratória:
4 NADH formados na glicólise geram 	 12 ATP
6 NADH formados no ciclo de Krebs geram 18 ATP
2 FADH formados no ciclo de Krebs geram 4 ATP
Formação direta na Glicólise 2 ATP
Formação direta no Ciclo de Krebs 2 GTP
Total de até .................................................... 38 ATP
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1b) Respiração anaeróbia
É uma variação alternativa da respiração aeróbia: o aceptor de elétrons não é o oxigênio.
	Uma implicação é o rendimento energético inferior: nenhum aceptor alternativo apresenta potencial tão oxidante quanto O2.
	O uso de aceptores alternativos permitem os microrganismos respirarem em ambientes sem oxigênio, sendo de extrema importância ecológica.
	Uma aplicação importante que merece atenção é a utilização de processos anaeróbios no tratamento de efluentes:
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Aceptor final de elétrons diferente do O2
Exemplos:
C6H12O6 + 12 NO3-  6CO2 + 6H2O + 12NO2-
2 lactato + SO4= + 4H+  2CO2 + S= + H2O + 2 acetato 
A respiração anaeróbia: exclusividade dos procariotos
Ocorre em ambientes onde o oxigênio é escasso, como nos sedimentos ou próximo de nascentes hidrotermais submarinas.
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2. Fermentação
Reação de oxidação-redução internamente balanceada. Ausência de aceptores externos.
A concentração de NADH nas células é baixo, precisando ser re-oxidado para não cessar a via glicolítica.
A redução do piruvato a etanol ou outros produtos de restabelece o NAD e permite a continuidade da glicólise .
Produção líquida de apenas 2 ATP. 
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Características da fermentação:
Ácido pirúvico é reduzido a ácidos orgânicos e álcoois
NADH é oxidado a forma NAD: essencial para operação continuada da via glicolítica 
O2 não é necessário 
Não há obtenção adicional de ATP.
Gases (CO2 e/ou H2) podem ser produzidos 
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As vias fermentativas são úteis na identificação bioquímica: 
 	Fermentação de múltiplos ácidos 
Escherichia coli
Base para teste Vermelho de Metila (VM) 
	Fermentação 2,3-Butanodiol 
Enterobacter aerogenes
Base para o teste de Voges-Proskauer (VP)
Também são utilizadas na indústria:
Síntese de compostos orgânicos importantes 
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Fototropia
A utilização da energia da luz - Fotossíntese 
a) Fotossíntese oxigênica
Presente nas cianobactérias e nos cloroplastos das algas.
Doador de elétrons é H2O: sua oxidação gera o O2
Dois fotossistemas: PSI e PSII
Maior função é produzir ATP e NADPH para a fixação de carbono.
Cloroplasto de eucariotos
Cianobactérias
Fotossistemas em lamelas
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Fotossíntese oxigênica
Algas e Cianobactérias
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O NADPH é utilizado para reduzir o CO2 no processo de fixação do carbono 
 Fotofosforilação
A energia da luz é utilizada para a síntese de ATP e NADPH
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 b) Fotossíntese anoxigênica
Doadores de elétrons variam:
H2S or So nas bactérias sulfurosas verdes e púrpuras
H2 ou compostos orgânicos em bactérias verdes e púrpuras não sulfurosas
Apenas um fotossistema
Bactérias verdes tem foto-sistema semelhante ao PSI
Bactérias púrpuras tem foto-sistema semelhante ao PSII
Principal função é produzir ATP via fotofosforilação 
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Bactérias sulfurosas, verdes e púrpuras
Bacterioclorofilas e carotenóides
Yellowstone Park,USA
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Fotossíntese anoxigênica (bactérias púrpuras)
Fotofosforilação ciclica 
Geração de poder redutor para a redução do CO2.
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Quimiolitotrofia
Características:
Elétrons são removidos de doadores inorgânicos (por ex. H2). 
Os elétrons passam através da membrana por um sistema de transporte geralmente acoplado a síntese de ATP e NADH.
Os elétrons finalmente passam para um receptor final.
ATP e NADH são usados para converter CO2 em carboidrato.
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Exemplos de doadores inorgânicos de elétrons:
Amônia (NH4+)  Nitrito (NO2-) nas Nitrosomonas
Nitrito (NO2-)  Nitrato (NO32-) nas Nitrobacter
Sulfeto de hidrogênio (H2S)  Enxofre (So) em Thiobacillus, Beggiatoa, Thiomargarita 
Enxofre (So)  Sulfato (SO42-) em Thiobacillus
Hidrogênio (H2)  Água (H2O) em Alcaligenes
Thiomargarita namibiensis: uma bactéria gigante 
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Exemplos de receptores de elétrons 
Oxigênio (O2)  água (H2O) em diversos organismos
Dióxido de carbono (CO2)  Metano (CH4) nas bactérias metanogênicas 
4H2 + CO2 => CH4 + 2H2O 
Delta G° = -31 kcal/mol
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Utilização da energia
Generalidades:
As vias começam com a síntese das
 unidades estruturais simples.
As unidades estruturais são ativadas com a energia de moléculas como o ATP.
As unidades estruturais são unidas para formar substâncias complexas da célula.
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Integração do catabolismo e anabolismo
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Ex. Fornecimento de precursores para biossíntese aminoácidos
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