Metabolismo Microbiano: Obtenção de Energia

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Prof. José Guilherme Prado Martin
Aula 03: Metabolismo microbiano I:
obtenção de energia
CAP. 3 (BROCK)
CAP. 5 (TORTORA)
Objetivos
Ao final desta aula o estudante deverá ser capaz de:
• Descrever as vias de obtenção de energia no mundo microbiano;
• Diferenciar quimiotrofia de fototrofia;
• Explicar a respiração aeróbia, respiração anaeróbia e fermentação;
• Explicar a fotossíntese oxigênica (acíclica) e anoxigênica (cíclica).
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obtenção de energia
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obtenção de energia
VISÃO GERAL DO METABOLISMO
GERAÇÃO
DE ENERGIA
CONSUMO
DE ENERGIA
VIAS DE 
OBTENÇÃO
DE ENERGIA
NO MUNDO 
MICROBIANO
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obtenção de energia
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obtenção de energia
Oxidação biológica representativa. Dois elétrons e dois prótons (juntos equivalem a 
dois átomos de hidrogênio) são transferidos de uma molécula de substrato orgânico para 
uma coenzima, NAD+. NAD+, na realidade, recebe um átomo de hidrogênio e um elétron, 
e um elétron e um próton são liberados no meio. NAD+ é reduzida a NADH, que é uma 
molécula mais rica em energia.
OXIDAÇÃO - REDUÇÃO
Quimiotrofia
X = químico
Respiração anaeróbia
Ex: Desulfovibrio, E. coli, 
Agrobacterium e outras
Fermentação
Ex: Leveduras, bactérias
láticas, E. coli e outras
Fototrofia
Y=O2  aeróbia
Ex: Thiobacillus, Nitrobacter, Nitrosomonas 
Oxigênica
Ex: algas e cianobactérias
Anoxigênica
Ex: bactérias púrpuras e verdes; Chromatium, Rhodobacter
Ex (s): Fungos e boa parte das bactérias 
(E. coli)
X=orgânica
(quimiorganotrófico)
X=inorgânica
(quimiolitotrófico)
Y=O2  aeróbia: Respiração aeróbia
X = luz
Y sem O2 
anaeróbia
Y sem O2  anaeróbia
Exs:metanogênicas:Methanobacterium 
thermoautrophicum
acetogênicas: Acetobacterium woodii
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ENERGIA: Capacidade de realizar trabalho (quilojoules kJ)
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BIOENERGÉTICA
Variação de energia livre (ΔG0’): variação na energia livre durante uma reação 
Significa que o valor de energia foi obtido em condições padrão:
pH = 7, temperatura = 25oC, p = 1 atm, [ ] M dos produtos e reagentes 
• ΔG0’: negativo reação exergônica : obtenção (conservação)
• ΔG0’: positivo reação endergônica: utilização (consumo)
A GERAÇÃO DE ATP
FOSFORILAÇÃO
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3 MECANISMOS:
Fosforilação nível substrato
Fosforilação oxidativa
Fotofosforilação
FOSFORILAÇÃO
EM NÍVEL DE SUBSTRATO:
Geração de ATP a partir da transferência de um composto 
fosforilado (substrato) a ADP
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FOSFORILAÇÃO
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
Elétrons são transferidos de compostos orgânicos para um grupo de 
carreadores de elétrons (NAD+ e FAD)
Os elétrons são então transferidos ao longo de uma série de 
carreadores diferentes a moléculas de oxigênio (O2) ou outras 
moléculas inorgânicas ou orgânicas oxidadas
MEMBRANA PLASMÁTICA (PRO)
MEMBRANA MITOCONDRIAL INTERNA (EUC)
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ATP no nível de substrato: Oxidação = liberação de e-:
1) 
2)
3)
1) 2-P-glicerato PEP piruvato
2) 1,3 di P glicerato 3-P glicerato
H-C- C- COO- H-C=C-COO-
HO
O~PH
H
HO-P
62 KJ/mol
H3C- C- COO
-
O
ATP
ADP
G3P C - C - C C - C - C
P-O OH O~P OHOPNAD
Pi
O
49 KJ/ mol
ATPADP O
O-
NADH (red) NAD+ (ox) + e-
Fe 2+(red) Fe 3+(ox) + e-
COOH COOH
CH2
CH
HC
CH2
COOH COOH
+ 2e-
Succínico Fumárico
FOSFORILAÇÃO - EXEMPLOS
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enolase
P-glicerocinase
piruvato-
cinase
Quimiorganotróficos
Quimiotrofia
X=químico
Respiração anaeróbia
Ex: Desulfovibrio, E. coli, 
Agrobacterium e outras
Fermentação
Ex: Leveduras, bactérias
láticas, E. coli e outras
Ex (s): Fungos e boa parte das bactérias 
(E. coli)
X=orgânica
(quimiorganotrófico)
X=inorgânica
(quimiolitotrófico)
Y=O2  aeróbia: Respiração aeróbia
Y = sem O2 
anaeróbia
QUIMIOTROFIA
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CATABOLISMO DE CARBOIDRATOS
OCORRE PARA A MAIORIA DOS MICRO-ORGANISMOS
Glicose > mais comumente utilizada
2 processos gerais:
Respiração celular
Fermentação
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RESPIRAÇÃO AERÓBIA
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RESPIRAÇÃO AERÓBIA
1ª Etapa: Oxidação do substrato químico orgânico a CO2
pelas vias metabólicas centrais:
- Glicólise (Embdem-Meyehoff-Parnas)
- Entner Doudoroff
- Pentose fosfato
- Ciclo do ácido cítrico (TCA) 
2ª Etapa: Elétrons provenientes da oxidação passam por
uma cadeia de transporte de elétrons (CTE) constituídas de
proteínas ordenadas pelo potencial de redução crescente.
Importante! O O2 é o aceptor terminal de elétrons
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Bactérias aeróbias que 
utilizam ácido graxo e 
acetato como fonte de 
carbono e energia 
VIAS METABÓLICAS
CENTRAIS
Via Embden-Meyerhof-
Parnas (Glicólise)
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(continua...)

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Via Embden-Meyerhof-
Parnas (Glicólise)
Comum em bactérias gram negativas aeróbias
Exemplos: espécies de Pseudomonas, 
Rhizobium, Thiobacillus, Xanthomonas
Via Embden-Meyerhof-Parnas (Glicólise)
1 glicose + 2 ATP + 2 NAD+ 2 ácido pirúvico + 4 ATP + 2 NADH + H+
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ALTERNATIVAS À GLICÓLISE
VIA DE ENTNER-DOUDOROFF
1 glicose  1 ATP
Rhizobium, Pseudomonas e Agrobacterium
VIA DA PENTOSE-FOSFATO
1 glicose  1 ATP
Bacillus subtilis, E. coli
Leuconostoc mesenteroides e Enterococcus faecalis
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obtenção de energia
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energia
Fosforilação em 
nível de substrato
Fosforilação oxidativa
Fosforilação em 
nível de substrato
DESTINO DO
PIRUVATO
CICLO DE KREBS
= CICLO DO
ÁCIDO CÍTRICO
(RESPIRAÇÃO 
AERÓBIA)
CADEIA TRANSPORTADORA DE e-
GERAÇÃO QUIMIOSTÁTICA DE ATP
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RENDIMENTO
ENERGÉTICO
(RESPIRAÇÃO AERÓBIA)
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RESPIRAÇÃO ANAERÓBIA
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1ª Etapa: Oxidação do substrato químico orgânico a CO2
pelas vias metabólicas centrais:
- Glicólise (Embdem-Meyehoff)
- Pentose fosfato
- Ciclo do ácido cítrico (TCA) – ou TCA redutivo (Anaeróbias 
facultativas) 
2ª Etapa: Elétrons provenientes da oxidação passam por uma
cadeia de transporte de elétrons (CTE) constituídas de proteínas
ordenadas pelo potencial de redução crescente.
Importante! O O2 não é o aceptor final de elétrons
Em geral os aceptores incluem NO3
-, SO4
2-, Fe3+ etc.
RESPIRAÇÃO ANAERÓBIA
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Respiração anaeróbia em micro-organismos
NO3
- reduzido a NO2
- ( E. coli ) ou a N2 ( Pseudomonas )
Fe3+ reduzido a Fe2+ ( Geobacter )
SO4
2- reduzido a H2S ( Desulfovibrio )
CO3
2- reduzido a CH4 ( metanógenos ) ou a acetato ( acetógenos )
RESPIRAÇÃO ANAERÓBIA
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Desidrogenase UQ bc1* c
Nitrato redutase
Nitrito redutase
Óxido nítrico redutase
Óxido nitroso redutase
NO3
-
NO2
-
NO1/2N2O
1/2N2
Modelo: 
Paracocus denitrificans
- Os gases formados são facilmente liberados no ambiente
- Principal via de formação de N2
Desnitrificação
* Translocação de próntos
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RESPIRAÇÃO ANAERÓBIA: CADEIA TRANSPORTADORA DE e-
FERMENTAÇÃO
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FERMENTAÇÃO
PROCESSO QUE:
1. Libera energia a partir de açúcares ou outras moléculas orgânicas,
como aminoácidos, ácidos orgânicos...
2. Não requer oxigênio (mas pode ocorrer na presença dele);
3. Não requer ciclo de Krebs ou uma cadeia de transporte de elétrons;
4. Produz uma pequena quantidade de ATP
(uma ou duas moléculas : cada molécula de matéria inicial)
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FERMENTAÇÃO
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FERMENTAÇÃO
LÁTICA
X
FERMENTAÇÃO
ALCOÓLICA
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energia
COMPARAÇÃO: RESPIRAÇÃO X FERMENTAÇÃO
Processo de 
produção de 
energia
Condições de 
crescimento
Aceptor final 
de elétrons
Tipo de fosforilação 
usada para gerar ATP
ATP 
produzido
Respiração 
aeróbica
Aeróbica O2
Em nível de substrato 
e oxidativa
 38 ATP
Respiração 
anaeróbica
Anaeróbica
NO3-, SO4-, CO32-
Fumarato
Em nível de substrato 
e oxidativa
Variável
(<38 e >2 
ATP)
Fermentação
Aeróbica ou 
anaeróbica
- Em nível de substrato 2
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> E’0 = tendência a receber 
elétrons (ser reduzido)
< E’0 = tendência a perder 
elétrons (ser oxidado)
PARES DE OXIDO-REDUÇÃO (TORRE REDOX)
Potencial
de redução
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energia
Quimiotrofia
X = químico
Y=O2  aeróbia
Ex: Thiobacillus, Nitrobacter, Nitrosomonas 
X = orgânica
(quimiorganotrófico)
X = inorgânica
(quimiolitotrófico) Y sem O2  anaeróbia
Exs: metanogênicas:
Methanobacterium thermoautrophicum
acetogênicas: Acetobacterium woodii
QUIMIOLITOTROFIA
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energia
No metabolismo QUIMIOLITOTRÓFICO os micro-organismos obtêm energia de 
compostos inorgânicos como por exemplo:
 H2 Hydrogenomonas
 NH3 Nitrosomonas
 CO Pseudomonas carboxydohydrogena
 NO2- Nitrobacter
 S2O32- Sulfobactérias púrpuras
 S0 Thiobacillus thiooxidans
 H2S Beggiatoa
 Fe2+ Thiobacillus ferrooxidans
QUIMIOLITOTRÓFICO
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energia
QUIMIOLITOTRÓFICO
FLUXO DE ELÉTRONS
DURANTE OXIDAÇÃO DE Fe2+
Acidithiobacillus ferrooxidans
(bactérias que oxidam ferro)
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energia
Bactérias que oxidam Ferro - Acidithiobacillus ferrooxidans
(A) Drenado de mina ácida
(B) Culturas de A. 
ferrooxidans
(C) Produção intensa 
de hidróxido férrico 
insolúvel
QUIMIOLITOTRÓFICO
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energia
Fototrofia
Oxigênica
Ex: algas e cianobactérias
Anoxigênica
Ex: Chromatium, Rhodobacter
X = luz
Fotoautotróficos Foto-heterotróficos
H2O é usada como 
fonte de elétrons
H2O não é fonte de 
elétrons
FOTOTROFIA
Fototróficos
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Bactérias Púrpuras
FOTOTROFIA: 
FOTOSSÍNTESE 
ANOXIGÊNICA-CÍCLICA
Arranjo de complexos proteicos no centro de reação da bactéria púrpura,
levando à geração de força próton-motiva (fotofosforilação) pela ATPase. LH,
complexos de bacterioclorofilas absorvedores de luz; RC, centro de reação, Bph,
bacteriofeofitina; Q, quinona; FeS, proteína de ferro-enxofre; bc1, complexo do
citocromo b1; c2, citocromo c2.
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energia
Algas e cianobactérias
FOTOTROFIA – FOTOSSÍNTESE OXIGÊNICA ACÍCLICA
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energia
 Obtenção e utilização de energia
 Quimiotrofia
 Fototrofia
 Respiração aeróbia
 Respiração anaeróbia
 Fermentação
 Fosforilação em nível de substrato
 Fosforilação oxidativa
 Fotofosforilação
 Fotossíntese oxigênica
 Fotossíntese anoxigênica
PONTOS IMPORTANTES DA AULA