metabolismo microbiano

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Metabolismo Microbiano
Conceitos básicos
Classes microbianas 
Quimiotrofia 
Fototrofia
Quimiolitotróficos 
Integração metabólica
Produção de Energia e Biossíntese
Pelczar, Caps. 11 e 12, páginas 290 - 330
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1. Introdução
Metabolismo: 
 toda a atividade química realizada por um organismo e seu maquinário.
São de 2 tipos:
 aquelas que liberam E = exergônicas - catabólicas
 aquelas que utilizam E = endergônicas - anabólicas
 E = capacidade de realizar trabalho
		química
		luminosa
E
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Requerimentos de energia:
2. Produção de Energia (E)
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Tipos de energia
Energia química – energia contida em ligações químicas das moléculas
Energia radiante (energia da luz) – deve ser convertida em energia química
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Quimiotróficos
(utilizam substâncias 
químicas 
como fonte de energia)
Quimiolitotróficos
C= CO2
Quimiorganotróficos
C=orgânico
Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte de energia e carbono
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Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte de energia e carbono
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Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte de energia e carbono
Fotoautotrófico = plantas, cianobactérias, algas verdes
Fotoorganotrófico/hetero = bactérias púrpuras, exceto as abaixo
Fotolitotróficas = bactérias púrpuras metabolizantes do S
Quimioautotrófico = Archaea metanogênicas
Quimiorganotrófico/hetero = maioria bactérias e fungos
Quimiolitotrófico = bactérias nitrificadoras
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Enzimas
 Catalisadores das reações
 Aumentam as velocidades de reação de 108 a 1020 vezes
 Tem sítios ativos de ligação do substrato
 Podem conter outras moléculas acopladas
 Grupos prostéticos – grupo heme dos citocromos é um exemplo
 Coenzimas – derivadas de vitaminas (NAD+/NADH)
 Terminação ase ao seu substrato
 Celulase: degradam celulose
 Glicose-oxidase: catalisa a oxidação da glicose
 Ribonuclease: decompõe acido ribonucleico
 Lisozima: cliva o peptideoglicano
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Catalise e enzimas
Reação 
exergônica
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COMPLEXO ENZIMA-SUBSTRATO
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Compostos ricos em energia: armazenamento e transferência de energia (imediata)
ATP = adenosina trifosfato
ADP = adenosina difosfato
Fosfoenolpiruvato
Glicose-6-fosfato
Coenzimas: Acetil CoA, NAD, NADH, NADPH
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Armazenamento de energia
(Madigan et al., 2010)
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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.
Para o armazenamento de energia por períodos longos, os microrganismos produzem polímeros insolúveis.
Ex.: polímeros de glicose (amido e glicogênio), polímeros lipídicos, PHAs (biopoliéster).
Ralstonia eutropha
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Compostos ricos em energia: armazenamento e transferência de energia (a longo prazo)
Procariotos:
Glicogenio
Poli-β-hidroxibutirato
Poli-idroxialcanoatos
S (elementar)
Eucariotos
Poliglicose na forma de amido
Lipídeos na forma de gorduras
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Fermentação
Respiração
4. Geração de ATP por microrganismos
Síntese de ATP acoplada
a reações de óxido-redução
Oxidação = perda de e- (liberam energia)
Redução = ganho de e- (requerem energia)
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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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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 a 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 (produção líquida de 2 ATP)
Pequena quantidade de NAD é reduzida a NADH
1ª etapa: Piruvato (via glicolítica)
É considerada a via metabólica mais primitiva, presente em todas as formas de vida atuais.
Ocorre no citoplasma das células. 
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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
2ª etapa: Ciclo de Krebs
Ocorre no citoplasma (procariotos) e nas mitocôndrias (eucariotos).
Reações preparatórias: formação de composto chave do processo
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3ª etapa: Cadeia respiratória (sistema de transporte de elétrons)
Ocorre ao nível da membrana das mitocôndrias (eucariotos) e na membrana citoplasmática (procariotos)
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.
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Geração da força protomotiva
Fosforilação oxidativa
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As 3 etapas da via respiratória
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Síntese 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.
Oxidação de substratos orgânicos ou inorgânicos:
C6H12O6 + 12 NO3-  6CO2 + 6H2O + 12NO2-
2 lactato + SO4= + 4H+  2 acetato + 2CO2 + S= + H2O
Quantidade de energia produzida é menor
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2. Fermentação (também é uma forma de respiração anaeróbia. Ocorre no citossol)
Reação de oxidação-redução internamente balanceada. Ausência de aceptores externos.
A concentração de NAD+ nas células é baixo, precisando ser re-oxidado para não cessar a via glicolítica.
A redução do piruvato a etanol ou outros produtos 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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Produtos da fermentação
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Fototropia
A utilização da energia da luz - Fotossíntese 
a) Fotossíntese
oxigênica
Presente nas cianobactérias e nos cloroplastos dos eucariontes (algas por ex.)
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
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
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 b) 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 foto-sistema semelhante ao PSI
Bactérias púrpuras tem foto-sistema semelhante ao PSII
Principal função é produzir ATP via fotofosforilação 
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Biossíntese
Energia para síntese de compostos celulares: ácidos nucléicos (DNA, RNA), substâncias nitrogenadas (aa, enzimas, proteínas), carboidratos (peptidoglicano), lipídeos, etc.
ATP para processos como divisão celular, mobilidade, transporte ativo de nutrientes, etc.
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Utilização de energia
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Biossíntese de Compostos Nitrogenados
N2
N inorgânico (NH3+)
Aminoácidos
Arranjo de aminoácidos
Proteínas/enzimas
Purinas e pirimidinas
Nucleotídeos
Ácidos nucléicos (DNA, RNA)
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Fornecimento de precursores de aminoácidos
(Madigan et al., 2004)
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Biossíntese de nucleotídeos e ácidos nucléicos
Nucleotídeo = base nitrogenada-pentose-fosfato
						ribose = ribonucleotídeos (RNA)
 desoxirribose = desoxirribonucleotídeos (DNA)
Ativação dos nucleotídeos (ATP)
Síntese de ácidos nucléicos a partir de nucleotídeos ativados
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(Madigan et al., 2004)
Biossíntese de nucleotídeos e ácidos nucléicos
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Biossíntese de carboidratos
Triose
Pentoses e hexoses
Nucleotídeos
Polissacarídeos
(peptidoglicano,
celulose, amido, etc.)
CO2
RNA e DNA
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Biossíntese de ácidos graxos
Ácido pirúvico
Acetil CoA e Malonil CoA
Ácidos graxos de cadeia longa
Glicose
Fosfolipídios
Glicólise
Glicerol fosfato
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Outras utilizações de energia
Transporte
Motilidade
Reparos
Produção de estruturas de resistência (endosporos)
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