Metabolismo Microbiano

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Metabolismo Microbiano
Processos bioquímicos na produção de energia
Os organismos vivos são como máquinas químicas, suas estruturas e funções podem ser determinadas direta ou indiretamente por reações químicas.
Metabolismo
É toda atividade química realizada pelo organismo. É dividido em dois tipos gerais:
liberação de energia 
utilização da energia
- FONTES DE ENERGIA: 
A fonte de energia para alguns organismos são as moléculas químicas (nutrientes) que são absorvidas pelas células. Para outros organismos, a fonte de energia é a luz.
Energia requerida pela célula microbiana 
A energia é necessária para a célula realizar inúmeros tipos de trabalho, incluindo:
 Biossíntese das partes estruturais da célula;
Síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, fosfolipídeos e outros componentes químicos;
Reparo de danos e manutenção da célula em boas condições;
 
Crescimento e multiplicação; 
Armazenamento de nutrientes e excreção de produtos de escória;
Mobilidade.
Degradação
Embora alguns microrganismos possam utilizar a luz como fonte de energia, a maioria dos organismos obtém energia pela degradação, que é a quebra de nutrientes ou substancias químicas
Principais fontes energéticas dos microrganismos
Microrganismos quimiotróficos : Obtêm energia por degradação de nutrientes ou substratos químicos.
 1. Microrganismos quimioheterotróficos são organismos quimiotróficos que degradam compostos orgânicos para obter energia.
 2. Microrganismos quimioautotróficos degradam compostos inorgânicos para obter energia.
Microrganismos fototróficos : Não obtêm energia por degradação química de substratos, eles utilizam a luz como fonte de energia. Possuem certos pigmentos que absorvem a luz e armazena sua energia.
 
Energia Química e Transferência de Energia 
 Energia química é a energia contida em ligações químicas das moléculas de nutrientes especiais. 
Energia radiante (da luz) : Pode ser utilizada por alguns microrganismos, mas estes organismos devem converte-la em energia química para utilizá-la em suas funções celulares.
Energia térmica(associada com o movimento ao acaso de moléculas ou átomos) : É uma fonte de energia que não pode ser utilizada pelos seres vivos. 
Transferência de energia entre reações químicas exergônicas e endergônicas
A degradação de nutrientes e a síntese de constituintes da célula não são processos que ocorrem em uma única etapa. Envolvem numerosas reações químicas, cada uma catalisada por uma enzima específica.
Reação exergônica : Há tanto liberação como absorção de energia química. Está associada à degradação de nutriente ou substratos.
Reação endergônica : Quando necessita de energia. Está associada a síntese dos constituintes da célula.
Para ligar as reações, os organismos desenvolveram o processo chamado acoplamentos energético.
Reação exergônica libera energia 
parte da energia é armazenada em um composto de transferência de energia
os compostos de transferência de energia doam a energia armazenada para uma reação endergônica
Os compostos de transferência de energia mais utilizado pelas células são aqueles capazes de transferir grande quantidade de energia.
Vários compostos de transferência de alto nível energético ocorrem nas células, mas o mais importante é o ATP.
Fluxo de energia química da degradação de moléculas nutrientes para o ATP.
Produção de ATP pelos microrganismos 
O ATP é formado pela fosforização ( adição de um grupo fosfato a um composto)do ADP, cuja energia de adição provem de reações exergônicas. Há três vias nas quais a fosforização do ADP pode ocorrer:
 Fosforilação em nível de substrato, processo no qual o grupo fosfato de um comporto químico é removido e adicionado diretamente ao ADP.
 Fosforilação oxidativa, processo no qual a energia liberada pela oxidação de compostos químicos (nutrientes) é utilizada para a síntese de ATP a partir do ADP.
Fotofosforilação, processo no qual a energia da luz é utilizada para a síntese de ATP a partir do ADP
Fosforilação em nível substrato:
Adicionar a figura 11.4 do livro.
Fosforilação Oxidativa:
A energia é liberada por uma serie integrada de reaçõesde oxidação sequenciais denominada sistema de transporte de elétrons.
A energia é armazenada temporariamenteem forma de força protomotiva.
Aforça protomotiva fornece energia para a síntese do ATP a partir do ADP.
Fotofosforilação:
Vias de degradação de nutrientes
Metabolismo
Grego: metabole = mudança, transformação;
É o conjunto de reações químicas responsáveis pelos processos de síntese e degradação dos nutrientes na célula;
Microrganismos que obtém energia de nutrientes orgânicos(quimiotróficos) devem inicialmente decompor os nutrientes em compostos que possam ser utilizados para a produção de energia;
O metabolismo divide-se em duas etapas: Anabolismo(endergônicas) e catabolismo(exergônicas).
Fontes de energia
Para a maioria dos microrganismos a energia é retirada de moléculas químicas(nutrientes);
Para outros a energia é proveniente da luz;
Quimiotróficos: Utilizam substâncias químicas como fonte de energia;
Fototróficos: utilizam a luz como fonte de energia.
Anabolismo 
Processos que visam a construção das moléculas 
 1.Acúmulo de gordura nos lipócitos ou grânulos de glicogênio;
 2.Síntese de proteínas a partir de aminoácidos.
Catabolismo
São os processos que visam a desconstrução ou a quebra das moléculas.
	1.Quebra da glicose .
	2.Quebra de gordura para gerar energia.
	3.Quebra de proteínas para se obter aminoácidos.
VIAS DE DEGRADAÇÃO DE NUTRIENTES PARA PRODUÇÃO ENERGÉTICA
Vias catabólicas: regeneração do NAD+; As células possuem uma quantidade limitada de NAD;
Glicólise;
 Fermentação;
Respiração: aeróbica e anaeróbica;
Obs.: Todas as vias fornecem precursores para a biossíntese, fermentação e respiração fazem parte do processo de regeneração do NAD+.
Glicólise
Via mais comum de degradação da glicose;
Encontrada em microrganismos como os de animais e plantas;
Possui 5 características mais importantes em seu processo;
A célula possui quantidade limitada de NAD. Um meio de regeneração continuada do NAD a partir do NADH2 é necessário para permitir que a glicólise. 
Respiração
É o processo de regeneração de NAD utilizando o NADH2 como doador de elétrons para um sistema de transporte de elétrons.
Respiração Aeróbica
A respiração aeróbica se trata dos processos bioquímicos que visam à obtenção de energia com o envolvimento do oxigênio nas reações;
O2 é o aceptor final de elétrons.
Respiração anaeróbica
A respiração celular anaeróbica se trata da obtenção de energia a partir de reações químicas sem o envolvimento do oxigênio;
A respiração anaeróbica, exclusividade dos procariotos, só ocorre em ambientes onde o oxigênio é escasso, como nos sedimentos marinhos.
Fermentação
O NAD é regenerado utilizando um aceptor produzido pela própria célula;
Vantagem: Além da regeneração de NAD há produção de força proton-motiva para adicional de ATP.
Fermentação e respiração em relação ao habitat
Os organismos fermentativos estão presentes em ambientes com um alto nível de nutrientes fermentáveis, como por exemplo, o trato intestinal dos animais.
O intestino humano possui um numero realmente alto de bactérias, um numero acima de 100 bilhões por grama de fezes.
A razão para existirem tantas bactérias, mesmo o processo de fermentação não sendo tão eficiente, é que elas podem produzir uma grande quantidade de ATPs obtendo uma quantidade ilimitada de nutrientes fermentáveis.
Em um ambiente escasso de nutrientes microrganismos heterotróficos desenvolvem outros processos mais eficientes de respiração.
Como em uma superfície de um lago não poluído, os microrganismos heterotróficos devem utilizar um processo mais eficiente de respiração para obter energia.
Outro exemplo é o dos microrganismos heterotróficosaeróbios que em água destilada (livre de qualquer tipo de composto orgânico) conseguem obter energia devido a pequenas quantidades gasosas dissolvida na água após um tempo armazenada. 
Utilização de energia
Catabolismo: Geração de energia
 substratos produtos
Anabolismo: Consumo de energia
 monômeros macromoléculas, por biossíntese
Ciclo do ácido cítrico
A degradação da glicose por organismos aeróbios normalmente não para com a produção do ácido pírúvico.
Acido pirúvico da glicólise é oxidado em Acetil-CoA. 
Cada molécula de NADH pode doar elétrons para o sistema de transporte para geração da força protomotiva e produção de ATP.
Ciclo contínuo.
Síntese da respiração aeróbica
Reações de oxidação e redução em presença de um aceptor de elétrons externo ;
A molécula inteira do substrato é oxidada ;
Alto potencial de energia;
Grande quantidade de ATP é gerada: 38 ATP’s.
Resumo da produção de ATP pelas leveduras em crescimento aeróbio na presença de glicose.
Método utilizado pelas leveduras para regenerar NAD de NADH², gerado a partir da glicólise.
Na fermentação alcoólica o NADH² reduz acetaldeído a etanol.
Na respiração aeróbia, o NADH² serve como doador de elétrons para um sistema de transporte de elétrons, o qual por sua vez gera uma força protomotiva que resulta em síntese de ATP.
GENERALIDADE SOBRE AS VIAS BIOSSINTÉTICAS
As vias começam com a síntese das unidades estruturais simples;
As unidades estruturais são ativadas com a energia de moléculas como o ATP, GTP, NADH, NADPH;
As unidades estruturais são unidas para formar substâncias complexas da célula.
O CORPO UTILIZA TRÊS VIAS PARA GERAR ENERGIA
SISTEMA
NECESSIDADE DE O2
FONTE DE ENERGIA
QUANTIDADE DE ATP
VELOCIDADE DE SÍNTESE DE ATP
ATP-PC OU FOSFAGÊNIO
NÃO
FOSFOCREATINA
MUITO LIMITADA
MUITO ALTA
ANAERÓBIOLÁTICO
NÃO
GLICOGÊNIO
LIMITADA
ALTA
AERÓBIO
SIM
GLICOGÊNIO
GORDURA PROTEÍNA
ILIMITADA
BAIXA/LENTA
Biossíntese de compostos nitrogenados.
Grande parte do nitrogênio encontrado  no solo provém de materiais orgânicos mortos, nos quais existe sob a forma de compostos orgânicos complexos, tais como proteínas, aminoácidos, ácidos nucleicos e nucleótides.  
Estes compostos nitrogenados são, em geral, rapidamente decompostos em substâncias mais simples por organismos que vivem nos solos.
  
As bactérias saprófitas e várias espécies de fungos são os principais responsáveis pela decomposição de materiais orgânicos mortos.
Aminoácidos são formados de esqueletos de carbono, aos quais é adicionado Amônia (NH3).​
Amônia em altas concentrações é utilizada a glutamato desidrogenase e alguns outros aminoácidos. ​
Amônia em baixas concentrações é utilizada a glutamina sintase. ​
Os nucleotídeos são biossíntetizados utilizando carbono de diversas fontes diferentes.
Fixação do nitrogênio
A redução de N2 a NH3 é chama de fixação de nitrogênio.​
A amônia produzida é assimilada em uma forma orgânica em aminoácidos e nucleotídeos.​
Apenas determinadas espécies de bactérias e arqueias podem fixar nitrogênio.​
Podem ser simbióticas e não simbióticas.​
Não é conhecido nenhum organismo eucarioto capaz de fixar nitrogênio.​
Amonificação
Os microrganismos utilizam as proteínas e os aminoácidos como fonte para suas próprias proteínas e liberam o excesso de nitrogênio sob a forma de amônio NH4+.
Nitrificação
A oxidação do amoníaco é um processo que produz energia e a energia liberada é utilizada por estas bactérias para reduzir o dióxido de carbono, da mesma forma que as plantas autotróficas utilizam a energia luminosa para a redução do dióxido de carbono.
 As bactérias nitrificantes quimiossintéticas Nitrosomonas e Nitrosococcus oxidam o amoníaco dando nitrito NO2.
Desnitrificação
Nitrobacter oxida o nitrito formando nitrato (NO3-), novamente com liberação de energia.
O nitrato é a forma sob a qual quase todo o nitrogênio se move do solo para o interior das raízes.
Formação de Compostos Nitrogenados
Os aminoácidos formam-se a partir de íons, amônio e cetoácidos.
O principal aminoácido formado pela aminação é o ácido glutâmico.  O ácido glutâmico é o principal transportador de nitrogênio na planta.
Outros importantes compostos orgânicos nitrogenados incluem as nucleótides, tais como ATP, ADP, NAD e NADP: a clorofila e outras moléculas orgânicas semelhantes com anéis de porfirina: e os ácidos nucleicos ADN e ARN.  Muitas das vitaminas, com o grupo das vitaminas B, contém nitrogênio. 
Os compostos nitrogenados das plantas clorofiladas retornam ao solo com a morte das mesmas (ou dos animais que delas se alimentaram), sendo reprocessados pelos organismos e microrganismos do solo, absorvidos pelas raízes sob a forma de nitrato dissolvido na água do solo e reconvertidos em compostos orgânicos.
 
Durante o decorrer deste ciclo verifica-se sempre uma “perda” de certa quantidade de nitrogênio, no sentido de se tornar inutilizável para a planta.
Uma das principais causas da perda de nitrogênio é a remoção de plantas do solo.  Os solos cultivados exibem frequentemente um declínio constante no conteúdo de nitrogênio.
Biossíntese de ácidos graxos de cadeia longa:
Os lipídeos, além de corresponder a reservatórios de carbono e energia, são os principais constituintes das membranas citoplasmáticas de todas as células e da membrana externa de bactérias gram-negativas.
Os ácidos graxos são os principais componentes dos lipídeos microbianos, entretanto são encontrados apenas em bactérias e eucariotos, outros seres apresentam estrutura similar para cumprirem a função dos ácidos graxos, como as Arqueias que apresentam cadeias laterais isoprenóides hidrofóbicas para tal função.
A Biossíntese de ácidos graxos
A biossíntese do ácido graxo C16 palmitato. A condensação de acetil-ACP e malonil-ACP forma acetoacetil-CoA. Cada adição sucessiva de uma unidade acetil é oriunda do malonil-ACP. Microbiologia de brock 14ª edição. Porto Alegre: Artmed 2016.
A Biossíntese de ácidos graxos
No primeiro ciclo ocorre a condensação que juntam acetil-coa e malonil-coa somando 5 carbonos e que no final desse ciclo teremos 4 carbonos, a partir desse produto gera-se um novo ciclo que agora, só utilizara o malonil-coa e novamente perdera 1 carbono, desta forma serão necessários 7 ciclos para formar-se o palmitato.
Biossíntese de lipídeos: 
	No estágio final da sintetização dos lipídeos em células bacterianas e eucarióticas, os ácidos graxos são adicionados a uma molécula de glicerol, em triglicerídeos simples, os três carbonos são esterificados com ácidos graxos, para lipídeos complexos um dos átomos de carbono do glicerol é ornado por um fosfato, etanolamina, um carboidrato ou outra substancia polar, embora as arqueias não possuam ácidos graxos, os esqueletos de glicerol dos lipídeos da membrana normalmente contem um grupo polar, os grupos polares nos lipídeos são importantes para a formação da arquitetura de membrana padrão. Parte hidrofílica e parte hidrofóbica.
Biossíntese de açúcares e polissacarídeos
Os polissacarídeos são constituintes essenciais das paredes celulares microbianas, e as células frequentemente armazenam carbono e reservas energéticas sob a forma dos polissacarídeos glicogênio ou amido.
Os polissacarídeos são sintetizados a partir de formas ativas de glicose, de uridina difosfoglicose (UDPG) ou de adenosina-difosfoglicose (ADPG).
UDPG é o precursor de vários derivados de glicose, necessários a biossíntese de polissacarídeos celulares estruturais. 
Polissacarídeos de armazenamento são produzidos por meio da adição de glicose ativada a um polímero preexistente. Por exemplo, o glicogênio é sintetizado como:
ADPG + glicogênio ADP + glicogênio-glicose 
Quando uma célula está crescendo na presença de uma hexose, como a glicose, a obtenção de glicose para a síntese de polissacarídeos obviamentenão representa um problema.
Por outro lado, quando a célula está crescendo na presença de outros compostos contendo carbono, a glicose deve ser sintetizada.
Esse processo, denominado Gliconeogênese, utiliza o fosfoenolpiruvato, um dos intermediários da glicólise, como composto inicial, e se desloca de forma retrógada por meio da via glicolítica para formar glicose.
Gliconeogênese: quando há necessidade de glicose, esta pode ser biossintetizada a partir de outros compostos contendo carbono, geralmente pela inversão das etapas da glicólise 
As pentoses são formadas pela remoção de um átomo de carbono de uma hexose, normalmente na forma de CO2;
As pentoses necessárias à síntese de ácidos nucleicos, a ribose (no RNA) e a desoxirribose (no DNA), são formadas conforme apresentado abaixo:
As pentoses são formadas a partir de açúcares de hexoses, e a principal via para esse processo é a via das pentoses-fosfato;
Nessa via, a glicose é oxidada a CO2, NADPH, e ao intermediário essencial ribulose-5-fosfato, a partir deste último, vários derivados de pentoses são formados. 
Quando pentoses são utilizadas como doadores de elétrons, elas se alimentam diretamente na via das pentoses-fosfato, em geral tornando-se fosforiladas para formar ribose-fosfato ou um composto relacionado, antes de continuarem seu catabolismo.
Além da sua importância no metabolismo de pentoses, a via das pentoses-fosfato também é responsável pela produção de muitos açúcares não pentoses importantes na célula, incluindo os açúcares C4-C7;
Esses açúcares podem eventualmente ser convertidos em hexoses para fins catabólicos ou para biossíntese;
Um aspecto final importante da via das pentoses-fosfato é que essa gera NADPH, uma coenzima utilizada em muitas biossínteses redutoras;
Embora muitas células possuam um mecanismo de troca para a conversão de NADH em NADPH, a via das pentoses-fosfato é o principal meio para a síntese direta dessa importante coenzima.
Monômeros de Proteínas
Um monômero é uma pequena molécula que pode ligar-se a outros monômeros formando moléculas maiores denominadas polímeros;
Os aminoácidos são monômeros naturais que polimerizam formando as proteínas, e a glicose é também um monômero natural polimeriza formando os polímeros amido, celulose e glicogênio.
Os monômeros se juntam uns aos outros através de ligações covalentes, que são formadas pelo compartilhamento de elétrons entre dois ou mais átomos. Esse processo de junção é conhecido como polimerização;
Quando há a separação de um monómero de outro dá-se o processo inverso a despolimerização;
 
Estes dois processos, polimerização e despolimerização, são fundamentais para a célula. Os grupos de átomos que participam nestas reações designam-se por grupos funcionais.
Os monômeros se juntam uns aos outros através de ligações covalentes, que são formadas pelo compartilhamento de elétrons entre dois ou mais átomos. Esse processo de junção é conhecido como polimerização;
Quando há a separação de um monómero de outro dá-se o processo inverso a despolimerização ;
Estes dois processos, polimerização e despolimerização, são fundamentais para a célula. Os grupos de átomos que participam nestas reações designam-se por grupos funcionais.
Monômeros de Ácidos Nucleicos.
As bases nitrogenadas são oriundas da purina e da pirimidina. Deste modo, se diferenciam bases purínicas e bases pirimidínicas, também chamadas de bases púricas e pirimídicas, respectivamente.​
As bases purínicas são a adenina e a guanina, comuns tanto em moléculas de DNA quanto nas de RNA. As bases pirimidínicas, todavia, não são as mesmas nos nucleotídeos de DNA e de RNA. Em nucleotídeos de DNA, encontramos a citosina e a timina, como bases pirimidínicas, enquanto que em nucleotídeos de RNA, são comuns a citosina e a uracila.​
São bases púricas a adenina (6-aminopurina), a guanina (2-amino-6-oxipurina), a hipoxantina (6-oxipurina) e a xantina (2,6-dioxipurina). 
São bases pirimídicas a citosina (2-oxi-4-aminopirimidina), o uracilo (2,4-dioxipirimidina), a timina (2,4-dioxi-5-metilpirimidina) e o ácido orótico (2,4-dioxi-6-carboxipirimidina).