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009 2009 Aula 8 e 9 Microbiologia Metabolismo nova

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Metabolismo Microbiano
Prof. Rodrigo Pires do Nascimento
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Metabolismo
Soma de todas as reações químicas dentro de um organismo vivo
CATABOLISMO
ANABOLISMO
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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
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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
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ENZIMAS
Redução da energia de ativação
E + S ↔ ES  Produto
Bioenergética
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Bioenergética
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Bioenergética
 Componentes das enzimas
Componente protéico  apoenzima
Componente não-protéico  cofator (íons) / coenzima (algumas derivadas de vitaminas)
Apoenzima + Cofator = holoenzima
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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
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Bioenergética
 Coenzimas
- Derivados de Riboflavina (vitamina B2)
- Flavina Mononucleotídeo (FMN)
- Flavina Adenina Dinucleotídeo (FAD)
- Derivado do Ácido Pantotênico
- Coenzima A
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 Fatores que Influenciam a Atividade Enzimática
Temperatura
pH
Concentração de substrato
Inibidores Competitivos Não-Competitivos
 Sulfa / PABA inibição alostérica
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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
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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
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 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
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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
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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
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Glicogênio, amido e sucrose
estocagem
Piruvato
Ribose-5-fosfato
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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
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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
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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)
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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
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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.
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 COENZIMAS REDUZIDAS
Glicólise  1 NADH + H+
Ciclo de Krebs  4 NADH + 3 H+ / 1 FADH2
Cadeia Transportadora de Elétrons
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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)
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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
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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
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Quimiosmose
Síntese de ATP
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Cadeia Transportadora de Elétrons
Anaeróbios
 Aceptor final de elétrons  NO3- (essencial no ciclo do nitrogênio)
 Formato  fonte de carbono
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Quimioheterotróficos
Respiração Aeróbia
 Oxigênio como aceptor final de elétrons
 Células eucariotas, muitos procariotos
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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)
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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
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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
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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)
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Fermentação Heterolática
 Ácido Lático, CO2 e Etanol como produtos finais
 Leuconostoc e algumas espécies de Lactobacillus
 Produção de apenas 1 ATP
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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
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Fermentação Alcoólica
Processos Industriais
CO2
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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
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*Álcool desidrogenase
 Zn+2
CO2
CH2-OH
CH3
Etanol
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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
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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
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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
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Catabolismo de Lipídeos
 LIPASES  ácido graxo e glicerol
 TCA  oxidação de glicerol e ácidos graxos
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Catabolismo
visão geral
 Lipídeos
 Proteínas
 Carboidratos
 ATP
CO2
H2O
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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
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 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
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 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-
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Quimioautotróficos
 Metabolismo quimiolitotrófico – H2
 Via Homoacetogênica–Acetil CoA
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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
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Fotoautotróficos
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 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
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processo mais comum
H2S
Produção de ATP por quimiosmose
Fotossíntese anoxigênica
Fotossíntese oxigênica
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 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
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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
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 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
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 Fotoheterotróficos
- fotossíntese anoxigênica (TODOS)
 bactérias verdes e púrpuras
 doador de elétrons → composto orgânico (acetato, lactato)
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ANABOLISMO
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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)
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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
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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)
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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
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SÍNTESE DE PAREDE CELULAR BACTERIANA
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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
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TAGs – Triacilglicerol 
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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
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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)
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Biossíntese de Purinas e Pirimidinas
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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) 
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INTEGRAÇÃO
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Glicose
CATABOLISMO
ANABOLISMO
ATP
ATP
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E
U
C
A
R
I
O
T
O
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P
R
O
C
A
R
I
O
T
O
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