Aula Metabolismo 2014-1

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METABOLISMO MICROBIANO
2014-1
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Diversidade Metabólica Microbiana
METABOLISMO = CONJUNTO DAS REAÇÕES BIOQUÍMICAS QUE OCORREM DENTRO DA CÉLULA – VIAS METABÓLICAS
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 Reações químicas: 2 tipos
Reações catabólicas ou degradativas
Reações anabólicas ou biossintéticas 
Para alguns organismos a fonte de energia é a luz
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Classificação das Vias Metabólicas
    As vias metabólicas podem ser didaticamente divididas em 2 classes: 
Reações que liberam energia – EXERGÔNICAS = CATABOLISMO
Reações degradativas
Geralmente são reações de hidrólise
Reações que absorvem energia – ENDERGÔNICAS = ANABOLISMO
Construção de macromoléculas – Reações biossintéticas
Geralmente são reações de desidratação
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As vias metabólicas são determinadas por suas ENZIMAS, que por sua vez são determinadas pela constituição genética da célula.
Para que reações químicas ocorram átomos, íons ou moléculas devem colidir. 
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As enzimas (catalisadores biológicos)
 reduzem a energia de ativação das reações:
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São específicas
As enzimas aceleram as reações químicas - temperatura
O nome de uma enzima dá informações sobre sua função 
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Coenzimas – cofatores orgânicos: atuam como receptores e carreadores de átomos ou grupos funcionais que são removidos a partir dos substratos durante a reação; não alteram o sítio ativo.
Algumas são carreadores de elétrons
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Moduladores Alostéricos
Moléculas que ligam-se às enzimas e alteram sua propriedade catalítica
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Inibidores Competitivos: composto estruturalmente semelhante ao substrato
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Fontes de energia
Para a maioria dos microrganismos a energia é retirada de nutrientes – energia associada com os elétrons que formam as ligações entre seus átomos.
Para outros a energia é proveniente da luz.
Reações de oxidação-redução (redox)
Remoção de um ou mais elétrons de uma substância – oxidada, com adição de um ou mais elétrons a outra substância – reduzida.
Liberação de energia para síntese de compostos ricos em energia.
 Podem envolver somente elétrons ou elétrons (-) e protons (átomos de hidrogênio, carga +)
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Exemplo de uma reação de oxidação-redução. Formação de água a partir do doador de elétrons H2 e do aceptor de elétrons O2
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Reações de oxirredução
A
B
A oxidada
B reduzida
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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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Reações redox envolvem reações entre um ou mais intermediários
PERMITEM INTERAÇÕES ENTRE DOADORES E ACEPTORES DE ELÉTRONS #
Tipos de transportadores: COENZIMAS
 Que se difundem livremente: NAD+ E NADP+ (nicotina-adenina-dinucleotídeo); NAD+ e NADH; NADP+ e NADPH
 Associados à membrana – GRUPOS POSTÉTICOS
	Flavoproteínas FMN/FAD
	Proteínas com Fe e S
	Quinonas (não protéico)
	Citocromos (protéico)
Transportadores de elétrons
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Compostos ricos em energia
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Energia liberada reações redox deve ser conservada = ATIVIDADES CELULARES
Compostos fosforilados – hidrólise fosfato = energia livre (ATP, PEP) ou compostos ricos em energia = energia livre (Acetil-CoA)
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Compostos que armazenam energia
Compostos de alta energia
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Geração de ATP
Fosforilação em nível de substrato – ausência de aceptores de elétrons
Ex.: fermentação
2) Fosforilação oxidativa
Cadeia de transporte de elétrons – respiração aeróbia e anaeróbia
3) Fotofosforilação 
– Ocorre somente em células fotossintéticas; uma cadeia de transporte de elétrons está envolvida
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FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
CATABOLISMO DE COMPOSTOS
- Glicose é o carboidrato mais utilizado pelas células e seu catabolismo inicia com a glicólise e outras vias subsequentes.
- Os microrganismos podem oxidar lipídeos (lipases quebram lipídeos em glicerol e ácidos graxos). Cada componente metabolizado separadamente no ciclo de Krebs.
Ex: biorremediação de áreas com derramamento de óleo; deterioração de alimentos
- Oxidação proteínas - grandes para atravessarem a membrana citoplasmática, liberam enzimas extracelulares – proteases, que clivam proteínas em aminoácidos. AA devem ser convertidos enzimaticamente em substâncias que possam entrar no ciclo de Krebs.
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Glicólise ou via Embden-Meyerhorf-Parnas
Objetivo: Oxidação de carboidratos (principalmente glicose) à piruvato.
Ocorre citoplasma
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
Alguns compostos intermediários são usados na via biossintética
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Glicólise
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Biossíntese de lipídeos
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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
 Bacillus subtilis, Escherichia coli
3. Via Entner-Doudoroff (ED) ou via das pentoses
	Encontrada nas Pseudomonas e gêneros relacionados
4. Via Fosfoketolase (FK)
	Encontrada no gênero Bifidobacterium e Leuconostoc
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Respiração
Ciclo do ácido cítrico – ciclo do ácido tricarboxílico – ciclo de Krebs
Citoplasma – procariotos; Matriz mitocondrial – eucariotos.
Para cada molécula de ácido pirúvico 3 moléculas de CO2 são formadas.
Formação de compostos intermediários- via anabólica
	Ex: Acetil coA- síntese de ácidos graxos
 cetoglutarato e oxalacetato- síntese de aa
	 succinil coA- anel porfirina de citocromos
 
Rendimento líquido: 3 NADH + 1 FADH2 + 1 ATP
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Cadeia transportadora de e-
- Membrana mitocondrial de eucariotos e m. citoplasmáticos de procariotos
-Carreadores associados à membrana (oxidação e redução)
-Sequência dos carreadores- difere para cada microrganismo
-Sequência dos carreadores estão arranjados em ordem crescente de potencial redutor mais positivos
- Alternancia dos carreadores que transportam somente e- (citocromos) e os que transportam somente átomos de H (flavoproteínas e quinona)
-As reações de transporte de elétrons faz com que a membrana fique energizada- força próton motiva- GERAÇÃO DE ATP.
- Geração de uma força próton motiva, resultante da separação de cargas ao longo da membrana tornando o ambiente extracelular ácido e intracelular, alcalino
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Transporte de elétrons e geração Quimiosmótica de ATP
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Cadeia transportadora de e-
 Final: eletróns são transferidos para aceptor final 
Respiração aeróbia – oxigênio
 Respiração anaeróbia – substância inorgânica que não oxigênio
Rendimento mais baixo, crescimento mais lento. 
 
Balanço energético cadeia de transporte de elétrons 
10 NADH = 30 ATP
2 FADH2 = 4 ATP
34 ATP
Balanço energético respiração
 ATP: 2 (glicólise) + 2 (Ciclo do ácido cítrico )+ 34 = 38 ATP
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EM EUCARIOTOS
2 ATPs são gastos 
Glicólise acontece no citoplasma e CTE matriz mitocondrial
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Rendimento total da respiração para microrganismos
C6H12O6 + 6O2 + 38ADP + 38P  6CO2 + 6H2O + 38ATP
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PROCARIOTOS
38 ATPs
EUCARIOTOS
36 ATPs
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Fosforilação em nível de substrato
O grupo fosfato é adicionado a algum intermediário tornando-se de alta energia que pode ser transferido ao ADP.
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Fermentação
Conceito bioquímico: Obtenção de energia a partir da oxidação parcial de carboidratos.
Fosforilação em nível de substrato
Baixo rendimento energético:
-Oxidação parcial dos compostos orgânicos
-Pouca diferença do Eh do doador e do receptor.
- Balança energético: 2 ATPs
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Para produzir energia a partir da glicose, os microrganismos
utilizam dois processos 
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Fermentação Lática e Fermentação Alcóolica
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S
S
S
S
S
S
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Recuperação de Coenzimas Oxidadas para glicólise
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Rendimento: 2 ATPs
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Fotoautotróficos
Foto - conversão de energia luminosa em química
Autrotróficos - Redução de CO2 a compostos orgânicos
Pigmentos sensíveis a luz – clorofilas 
 Plantas, algas e cianobactérias – utilizam água como doador de élétrons e produção de oxigênio = fotossíntese oxigênica = CLOROFILA a
 Algumas bactérias não há oxidação da água = fotossíntese anoxigênica = BACTERIOCLOROFIA a
Clorofila a = 430 a 680 nm
Bacterioclorofila – 800 a 925 nm.
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Fotoautotróficos
Além clorofila e bacterioclorofila pigmentos acessórios – carotenoides e ficobilinas 
Por que vários organismos tem tipos diferentes de clorofila?
Por apresentar pigmentos diferentes, organismos podem coexistir em um habitat iluminado, cada um utilizando comprimento de onda de luz não utilizado pelos demais. 
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Fotossíntese oxigênica
Transformação de energia luminosa em energia química processando o
dióxido de carbono e outros compostos (CO2), água (H2O) e minerais em
compostos orgânicos e produzindo oxigênio gasoso (O2). 
Presente nas cianobactérias e nos cloroplastos dos eucariontes (algas)
Doador de elétrons é H2O: sua oxidação gera o O2
Dois fotossistemas: PSI e PSII
PSI- A fase fotoquímica, fase luminosa ou fase clara (fase dependente da luz solar ou etapa clara ou no claro) é a primeira fase do processo fotossintético 
PSII- A fase química ou "fase escura", onde ocorre o ciclo de Calvin-Benson
Maior função é produzir ATP e NADPH para a fixação de carbono.
 
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Fotossíntese
Cianobactérias, algas e plantas
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 Fotossíntese anoxigênica
Doadores de elétrons variam:
H2S or So nas bactérias verdes e púrpuras sulfurosas 
H2 ou compostos orgânicos em bactérias verdes e púrpuras não sulfurosas
Apenas um fotossistema
Bactérias verdes tem fotossistema semelhante ao PSI
Bactérias púrpuras tem fotossistema semelhante ao PSII
Principal função é produzir ATP via fotofosforilação 
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Biossíntese
Formação de monômeros a partir dos 12 precursores das VMC
2) Energização dos monômeros 
3) Polimerização dos monômeros energizados
Exemplos:
	aminoácido + ATP aminoácido-AMP + PP
	NMP (nucleotídeo) + 2ATP NTP + 2ADP
	Açúcar + ATP + UTP UDP-açúcar + ADP + PP
Acetil-CoA + CO2 + ATP Malonil- CoA
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Biossíntese dos aminoácidos
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Biossíntese dos ácidos nucléicos
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Biossíntese dos lipídeos
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ATÉ A PRÓXIMA AULA: VIRUS E RECOMBINAÇÃO GENÉTICA 
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