Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
* Metabolismo Microbiano Prof. Rodrigo Pires do Nascimento * Metabolismo Soma de todas as reações químicas dentro de um organismo vivo CATABOLISMO ANABOLISMO * Metabolismo Primário (fase log de crescimento) Todos os organismos apresentam o metabolismo primário (catabolismo e anabolismo) Metabolismo Secundário (fase estacionária de crescimento) Somente os microrganismos apresentam metabolismo secundário Produtos de interesse industrial (enzimas extracelulares, antibióticos) Acúmulo e excreção Metabolismo * Metabolismo Produção Consumo Enzimas Todas as reações bioquímicas dentro da célula Catalisadores biológicos (aceleram as reações químicas) Altamente específicas 1 tipo de reação por enzima Classificação diferentes classes baseadas no mecanismo de ação Metabolismo ↔ Bioenergética * ENZIMAS Redução da energia de ativação E + S ↔ ES Produto Bioenergética * Bioenergética * Bioenergética Componentes das enzimas Componente protéico apoenzima Componente não-protéico cofator (íons) / coenzima (algumas derivadas de vitaminas) Apoenzima + Cofator = holoenzima * Bioenergética Coenzimas - Auxílio pela admissão de átomos removidos de substrato ou pela doação de átomos requeridos pelo substrato - Derivados de Ácido Nicotínico (vitamina B - niacina) - Nicotinamida Adenina Nucleotídeo Dinucleotídeo (NAD+) – catabolismo - Nicotinamida Adenina Nucleotídeo Dinucleotídeo Fosfato (NADP+) – anabolismo * Bioenergética Coenzimas - Derivados de Riboflavina (vitamina B2) - Flavina Mononucleotídeo (FMN) - Flavina Adenina Dinucleotídeo (FAD) - Derivado do Ácido Pantotênico - Coenzima A * Fatores que Influenciam a Atividade Enzimática Temperatura pH Concentração de substrato Inibidores Competitivos Não-Competitivos Sulfa / PABA inibição alostérica * Bioenergética Reações de Oxi-Redução remoção de elétrons de um átomo ou molécula Oxidação X Redução adição de elétrons Muito da energia liberada nas reações de oxiredução é armazenado na célula Processo de geração de energia (molécula energética ATP) ADP + P = ATP FOSFORILAÇÃO * Síntese de ATP - Fosforilação a nível do substrato: P de ↑ É é diretamente transferido de um composto orgânico fosforilado para o ADP Fosfoenolpiruvato + ADP → Piruvato + ATP - Fosforilação oxidativa → transferência de elétrons do composto orgânico para um grupo de moléculas carreadoras de elétrons: - Coenzimas reduzidas em vias catabólicas: NAD+ + 2 e- + 2 H+ → NADH + H+ FAD+ + 2 e- + 2 H+ → FADH2 - Compostos inorgânicos: H2, Fe2+, NO2- - Fotofosforilação (clorofila): Luz + CO2 + NADPH + H2O → glicose + ATP * Baseado na fonte de Energia e de Carbono, os microrganismos podem ser classificados em quimiotróficos e fototróficos Duas vias de obtenção de energia: - Oxidação de compostos orgânicos ou inorgânicos → quimiotróficos - Luz → fototróficos * * Catabolismo de Carboidratos Quimioheterotróficos Uso de moléculas orgânicas - Carboidratos principal fonte de carbono e energia - Principal molécula orgânica → glicose Dois mecanismos: - Respiração (O2 / NO3, ... como aceptor final de elétrons) - Fermentação (processo redox na ausência de aceptores finais de elétrons utilizáveis) Síntese de ATP * Quimioheterotróficos RESPIRAÇÃO CELULAR: - oxidação completa da molécula orgânica: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O Glicose Etapas: 1º vias glicolíticas (Embden-Meyerhof, Entner-Doudoroff e via das pentoses-fosfato) – ocorre na grande maioria das células vivas 2º ciclo de Krebs 3º fosforilação oxidativa * Glicogênio, amido e sucrose estocagem Piruvato Ribose-5-fosfato * Glicólise Via Embden-Meyerhof Via clássica Etapa preparatória Etapa de Preservação de Energia Procarioto e Eucarioto: Hexocinase e gasto de ATP Eucarioto e Procarioto Glicose difusão facilitada Alguns Procariotos - Translocação de grupo * Glicólise Via das Pentoses-Fosfato quase todas as células gasto de ATP NADPH – biossíntese 3 objetivos: Gliconeogênese Síntese de Precursores de DNA e RNA Fornecimento de intermediários da glicólise 3 moléculas de G6P via complexa * * É um ciclo metabólico, pois o oxaloacetato, que inicia a via metabólica, sofre transformações e é regenerado no final do ciclo. O ciclo de Krebs ocorre em aerobiose. O sistema enzimático do ciclo está localizado nas mitocôndrias. É fundo comum no metabolismo dos glicídios, lipídios e protídios. O Ciclo de Krebs tem a característica de uma via anfibólica, isto é, degrada o acetil-CoA em dióxido de carbono e água (catabolismo) mas alguns de seus intermediários são utilizados para a síntese de outros compostos (anabolismo). Ciclo de Krebs (TCA) * Ciclo de Krebs (TCA) Citoplasma de procariotos Descarboxilação total da glicose Grande produção de coenzimas reduzidas Vias Metabólicas = Anabolismo e Catabolismo Via anfibólica: Oxaloacetato → pirimidinas -cetoglutarato → arginina Succinato → citocromos Malato lipídeo * Oxidar a acetila-CoA em CO2 e H2O. Como conseqüência desta oxidação, é o maior fornecedor de elétrons para a Cadeia Respiratória e, sendo assim, é um grande gerador de energia (ATP). Alguns de seus intermediários são precurssores de compostos bioquimicamente importantes. * COENZIMAS REDUZIDAS Glicólise 1 NADH + H+ Ciclo de Krebs 4 NADH + 3 H+ / 1 FADH2 Cadeia Transportadora de Elétrons * Cadeia Transportadora de Elétrons Aeróbios membrana plasmática de procariotos e membrana interna mitocondrial em eucariotos composição variada: flavoproteínas quinonas citocromos (cit b, cit c1, cit c, cit a e cit a3) variações na composição da C.T.E. de bactéria para bactéria organização em valores crescentes de potencial de redução (E ) Menor valor de E → tendência a perder elétrons (oxidação) Maior valor de E → tendência a receber elétrons (redução) * Cadeia Transportadora de Elétrons Aeróbios Transferência de elétrons do NADH para a FMN Transferência de 2 elétrons para Q e 2 H+ para fora Q transfere 2 H+ para fora também Transferência dos elétrons de Q para os citocromos cit b, cit c1, cit c, cit a e cit a3 cit a3 transfere os elétrons para o aceptor final O2 + 2H+ = H2O * Cadeia Transportadora de Elétrons Coenzimas reduzidas na via glicolítica, ciclo de Krebs baixo valor de E Compostos inorgânicos (O2, NO3-) → alto valor de E Energia liberada → formação de gradiente de prótons na membrana → força próton-motiva QUIMIOSMOSE ATPase na membrana: - canal de prótons - síntese de ATP 1 NADH → síntese de 3 ATP 1 FADH2 → síntese de 2 ATP * Quimiosmose Síntese de ATP * Cadeia Transportadora de Elétrons Anaeróbios Aceptor final de elétrons NO3- (essencial no ciclo do nitrogênio) Formato fonte de carbono * Quimioheterotróficos Respiração Aeróbia Oxigênio como aceptor final de elétrons Células eucariotas, muitos procariotos * Quimioheterotróficos Respiração Anaeróbia Aceptor final de elétrons NÃO é o oxigênio Muitos procariotos Parte do Ciclo de Krebs não funciona Possíveis aceptores de elétrons: NO3- → NO2- S0 → H2S SO42- → H2S Fe3+ → Fe2+ 1 NADH → 2 ATP 1 FADH2 → 1 ATP Menor rendimento energético (o rendimento depende do microrganismo e da via metabólica) * Respiração Celular Aeróbio Aceptor Final de Elétrons – Oxigênio Ciclo de Krebs Completo Cadeia Transportadora de Elétrons (aceptor final: O2) – fosforilação oxidativa Anaeróbio Aceptor Final de Elétrons – Não Oxigênio (H2, S2) Ciclo de Krebs pode não ser completoCadeia Transportadora de Elétrons (aceptor final: Não O2) – fosforilação oxidativa Processo de geração de ATP através de reações de oxidação, com um aceptor final de elétrons glicose 2 ácido pirúvico * Quimioheterotróficos FERMENTAÇÃO: Liberação de energia a partir de moléculas orgânicas Não requer oxigênio Não requer TCA e CTE Molécula orgânica como aceptor final de elétrons Baixa produção de ATP (2 ATP) Fermentação Lática Homolática Heterolática * Fermentação Homolática Ácido lático como único produto final formado Streptococcus, Lactococcus, Enterococcus, Pediococcus e várias espécies de Lactobacillus Indústria – Laticínios QUEIJOS, IOGURTES, ... Streptococcus mutans da cavidade oral – cárie Lactobacillus – trato digestivo, auxílio na digestão do leite (lactose) * Fermentação Heterolática Ácido Lático, CO2 e Etanol como produtos finais Leuconostoc e algumas espécies de Lactobacillus Produção de apenas 1 ATP * Quimioheterotróficos FERMENTAÇÃO: Fermentação Alcoólica Produção de Etanol e CO2 Conversão de NADH em NAD+ Glicose + 2 ADP + 2 Pi 2 etanol + 2 CO2 + 2 ATP Saccharomyces cerevisae, Zymomonas Processos Industriais * Fermentação Alcoólica Processos Industriais CO2 * Destino do Piruvato em Anaerobiose Fermentação Alcoólica em Leveduras CHO CH-OH CH2-O-P C-O-P CH-OH CH2-O-P O + Pinorg NAD NADH aldeído-3-P-glicérico 1,3-difosfoglicerato COOH CO CH3 piruvato CHO CH3 Aldeído Acético * *Álcool desidrogenase Zn+2 CO2 CH2-OH CH3 Etanol * HORA DO DESCANSO ... METABOLISMO É MUITO INTERESSANTE ... MAS É PRECISO DEDICAÇÃO PARA COMPREENDER OS PROCESSOS... SÃO MUITAS REAÇÕES QUÍMICAS QUE SUSTENTAM O DELICADO EQUILÍBRIO DA VIDA CELULAR * REVISÃO DO METABOLISMO 1ª Glicólise (3 vias) – gerar piruvato (+ 2 ATP) Precursores para síntese de DNA e RNA, síntese de aminoácidos (piruvato e 3-fosfoglicerato) 2ª Ciclo de Krebs – gerar coenzimas reduzidas (+ 4 NADH e + 1 FADH) Precursores para síntese de lipídeos (malato), pirimidinas (oxalacetato), aminoácidos (-cetoglutarato) 3ª Cadeia Transportadora de Elétrons – gerar ATP Oxidar as coenzimas e fechar o ciclo metabólico * Fermentação de Proteínas – Aminoácidos Degradação de Proteínas = PROTEASES Arginina Ornitina, CO2, NH3 Clostridium, Streptococcus, Mycoplasma (via da arginina dihidrolase) Arginina Citrulina Ornitil e Carbamil Fosfato (ADP ATP) Glicina Acetato (acetil fosfato) Peptococcus anaerobius Clostridium (via fermentativa de pares de aminoácidos) – acetato, CO2 e NH3 odor agradável de alguns vinhos e queijos X odor fétido da gangrena * Catabolismo de Lipídeos LIPASES ácido graxo e glicerol TCA oxidação de glicerol e ácidos graxos * Catabolismo visão geral Lipídeos Proteínas Carboidratos ATP CO2 H2O * Quimioautotróficos Fonte de energia oxidação de compostos químicos inorgânicos - variedade de compostos químicos usados - cadeia transportadora de elétrons na membrana - formação de gradiente de prótons → síntese de ATP - aceptor de elétrons variado Utilizam elétrons de compostos inorgânicos reduzidos como fonte de energia e CO2 como principal fonte de carbono * Oxidação de H2 Hydrogenomonas - Gás na atmosfera - Presença de hidrogenases membranar: doação de elétrons para a cadeia citoplasmática: redução de NAD+ para a síntese de compostos orgânicos Oxidação de compostos contendo S Thiobacillus thiooxidans, Beggiatoa - Extração de minérios: S0, S2O32- - Decomposição de matéria orgânica: H2S - Formação de H2SO4 * Oxidação de Fe2+ Thiobacillus ferooxidans - Fe2+ → Fe3+ - Processo aeróbio → Fe tem alto valor de E Oxidação de compostos contendo N - Nitrosomonas: NH4+ → NO2- Nitrobacter: NO2- → NO3- * Quimioautotróficos Metabolismo quimiolitotrófico – H2 Via Homoacetogênica–Acetil CoA * Fotoautotróficos Energia luminosa → energia química (ATP) conversão do CO2 em açúcar Cianobactérias e algas 6 CO2 + 12 H2O + Energia Luminosa C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O Pigmentos para absorção de energia luminosa: - clorofila a - bacterioclorofilas - carotenóides, ficobilinas, ficocianinas, ficoeritrinas Cada pigmento absorve energia luminosa com determinado comprimento de onda * * Fotoautotróficos * Fase Clara Fotofosforilação – clorofila a (plantas, algas e cianobactérias), bacterioclorofila (outras bactérias) Nesta fase, a energia luminosa é convertida em energia química LUZ ADP + Pi ATP Redução do NADP+ a NADPH (fotofosforilação) Fotossíntese Bacteriana * processo mais comum H2S Produção de ATP por quimiosmose Fotossíntese anoxigênica Fotossíntese oxigênica * Fase Escura Ciclo de Calvin-Benson – fixação do carbono, gasto de energia Os elétrons e o ATP reduzem 6 CO2 em açúcar (glicose) ATP + NADPH + CO2 Açúcar Fotossíntese Bacteriana * * Fotossíntese Bacteriana Fotossíntese Oxigênica - vegetais, algas, cianobactérias - processo não-cíclico - produção de O2 a partir de H2O - superfície de ambientes aquáticos → absorção de comprimentos de onda que não atravessam a água e presença de O2 * Fotossíntese Anoxigênica - bactérias verdes e púrpuras (algumas podem atuar como fotoheterotróficas) - anaerobiose - processo cíclico - redução de NADP+ → desvio de elétrons - doador de elétrons variável, menos H2O → composto inorgânico (H2, H2S) - ambientes aquáticos mais profundos → absorção de comprimentos de onda que atravessam a água e ausência de O2 Fotossíntese Bacteriana * Fotoheterotróficos - fotossíntese anoxigênica (TODOS) bactérias verdes e púrpuras doador de elétrons → composto orgânico (acetato, lactato) * ANABOLISMO * Biossíntese de Carboidratos Polissacarídeos: importantes constituintes celulares Reserva de energia: amido e glicogênio Intermediários para a síntese da glicose glicólise e ciclo de Krebs UDPG / ADPG precursores Gliconeogênese (síntese da glicose a partir do fosfoenolpiruvato, sintetizado a partir do oxalacetato) Pentoses: ribonucleotídeo redutase converte ribose em desoxirribose (após a síntese de nucleotídeos) * Formação de glicose a partir de precursores não-glicídicos Lactato; Glicerol; Aminoácidos Gliconeogênese Transforma piruvato em glicose Precursores não-glicídicos São transformados em piruvato ou entram na via na forma de interme-diários: oxaloacetato e diidroacetona-fosfato * Do piruvato ao fosfoenol-piruvato • O primeiro desvio para a síntese de glicose a partir do piruvato é a conversão irreversível de piruvato em fosfoenolpiruvato (PEP) • Duas reações: o piruvato é carboxilado pela piruvato carboxilase (enzima presente nas mitocôndrias), formando oxalo-acetato, o qual é então convertido a PEP pela ação da PEP carboxiquinase (PEPCK) * Desfosforilação da Frutose 1,6 bifosfato A frutose 1,6-bifosfatase realiza a reação inversa da fosfofrutoquinase 1: a hidrólise da frutose 1,6-bifosfato para a formação de frutose 6-fosfato, reação energeticamente favorável Principal ponto de regulação da gliconeogênese * SÍNTESE DE PAREDE CELULAR BACTERIANA * * Biossíntese de Lipídeos Início Malonato 2 C + CO2 + acetil-PCA adição de 2 em 2 C até a formação do ácido graxo (A.G.) A síntese ocorre em 4 etapas após a ligação do malonil: 1- condensação 2- redução da carbonila 3- desidratação 4- redução da insaturação * * TAGs – Triacilglicerol * * Além de serem constituintes das proteínas os aminoácidos são percursores dos outros compostos nitrogenados, fornecendo quer o seu N, quer os seus C. TRANSAMINAÇÃO Reação fundamental do metabolismo dos aminoácidos queconsiste na transferência reversível do grupo amina de um aminoácido para um alfa cetoácido sem liberação de NH3 DESAMINAÇÃO Pode ocorrer por um processo geral – desaminação oxidante – ou por processos particulares e específicos de determinados aminoácidos Biossíntese de Aminoácidos * Biossíntese de Aminoácidos Aminoácidos importantes para a síntese de proteínas Grupamento amino precursor nitrogênio inorgânico (NH3) glutamato Ciclo de Krebs fornecedor dos precursores da síntese de aminoácidos Reações de Aminação (adicionado ao ácido pirúvico) e Transaminação (oriundo de um aa pre-existente) * Biossíntese de Purinas e Pirimidinas * Antagonismo metabólico Geralmente ocorre por um mecanismo de inibição competitiva. Sulfas e derivados: inibição da síntese do ácido fólico, pela competição com o PABA. Trimetoprim: bloqueio da síntese do tetrahidrofolato, inibindo a dihidrofolato redutase e consequentemente inibindo a síntese de aminoácidos Similaridade estrutural entre a sulfanilamida e o PABA (importante precursor da síntese de purinas) * INTEGRAÇÃO * * Glicose CATABOLISMO ANABOLISMO ATP ATP * E U C A R I O T O * P R O C A R I O T O *
Compartilhar