Microbiologia - Resumo I - Metabolismo microbiano

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Metabolismo microbiano
Resumo I – Microbiologia
Tortora
 Reações catabólicas e anabólicas
A soma de todas as reações químicas em um organismo vivo é conhecida como metabolismo.
Catabolismo se refere ás reações químicas que resultam na quebra de moléculas orgânicas mais complexas em substâncias mais simples. As reações catabólicas geralmente liberam energia.
Anabolismo se refere ás reações químicas em que substâncias simples são combinadas para formar moléculas mais complexas. As reações anabólicas geralmente requerem energia.
A energia das reações catabólicas é utilizada para conduzir as reações anabólicas.
A energia para as reações químicas é armazenada em ATP.
Enzimas
Enzimas são proteínas, produzidas por células vivas, que catalisam reações químicas pela diminuição da energia de ativação.
Enzimas são geralmente proteínas globulares com formas tri-dimensionais características.
Enzimas são eficientes, podem atuar em temperaturas relativamente baixas e estão sujeitas a vários controles celulares.
Nomenclatura das enzimas
A maioria das enzimas são holo-enzimas, consistindo de uma porção proteica (apo-enzima) e uma porção não-proteica (co-fator).
O co-fator pode ser um íon metálico (ferro, cobre, magnésio, manganês, zinco, cálcio e cobalto) ou uma molécula orgânica complexa conhecida como co-enzima (NAD+, NADP+, FMN, FAD e co-enzima A).
O mecanismo de ação enzimática
Quando uma enzima e um substrato se combinam, o substrato é transformado e a enzima é recuperada.
Enzimas são caracterizadas pela especificidade, que é uma função de seus sítios ativos.
Fatores que influenciam a atividade enzimática
A altas temperaturas, as enzimas sofrem desnaturação e perdem suas propriedades catalíticas; a baixas temperaturas, a taxa de reação diminui.
O pH em que a atividade da enzima é máxima é conhecido como pH ótimo.
Dentro de limites, a atividade enzimática aumenta com o aumento da concentração do substrato.
Inibidores competitivos competem com o substrato normal pelo sítio ativo da enzima. Os inibidores não-competitivos atuam em outras partes da apo-enzima (parte proteica) ou no co-fator e diminuem a capacidade da enzima de se combinar com o substrato normal.
Inibição por retro-alimentação
A inibição por retro-alimentação ocorre quando o produto final de uma via metabólica inibe uma atividade da enzima quase no começo da via.
Ribozimas
As ribozimas são moléculas de RNA que cortam e religam RNA em células eucarióticas.
Produção de energia
 Reações de oxidação-redução
Oxidação é a remoção de um ou mais elétrons de um substrato. Os prótons (H+) são frequentemente removidos com os elétrons.
A redução de um substrato se refere ao ganho de um ou mais elétrons.
Cada vez que um substrato é oxidado, um outro é simultaneamente reduzido.
NAD+ é a forma oxidada; NADH é a forma reduzida.
Glicose é uma molécula reduzida; a energia é liberada durante a oxidação da glicose na água.
 A geração de ATP
A energia liberada durante certas reações metabólicas pode ser capturada para formar ATP a partir de ADP e P (fosfato). A adição de um P a uma molécula é chamada de fosforilação.
Durante a fosforilação em nível de substrato, um P de alta energia de um intermediário no catabolismo é adicionado ao ADP.
Durante a fosforilação oxidativa, a energia liberada como elétrons é passada a uma série de aceptores de elétrons (uma cadeia transportadora de elétrons) e finalmente ao O2 ou outro composto inorgânico.
Durante a foto-fosforilação, a energia da luz é capturada pela clorofila, e elétrons são passados por meio de uma série de aceptores de elétrons. O elétron transferido libera a energia utilizada para a síntese de ATP.
Vias metabólicas de produção de energia
Uma série de reações químicas catalisadas enzimaticamente denominadas vias metabólicas armazena e libera energia a partir de moléculas orgânicas.
Catabolismo de carboidratos
A maior parte da energia de uma célula é produzida a partir da oxidação de carboidratos.
A glicose é o carboidrato mais comumente utilizado.
Os dois principais tipos de catabolismo de glicose são a respiração, em que a glicose é completamente quebrada, e a fermentação, em que ela é parcialmente quebrada.
 Glicólise
A via mais comum para a oxidação da glicose é a glicólise. O ácido pirúvico é o produto final.
Dois ATPs e duas moléculas de NADH são produzidas a partir de uma molécula de glicose.
Alternativas á glicólise
A via pentose fosfato é utilizada para metabolizar açúcares de cinco carbonos; um ATP e 12 moléculas de NADPH são produzidos a partir de uma molécula de glicose.
A via Entner-Doudoroff rende um ATP e duas moléculas de NADPH a partir de uma molécula de glicose.
Respiração celular
Durante a respiração, moléculas orgânicas são oxidadas. Energia é gerada a partir da cadeia de transporte de elétrons.
Na respiração aeróbica, O2 funciona como o aceptor final de elétrons.
Na respiração anaeróbica, o aceptor final de elétrons é uma molécula inorgânica que não o O2.
Respiração aeróbica
 O clico de Krebs
A descarboxilação do ácido pirúvico produz uma molécula Co2 e um grupo acetil.
Grupos acetil de dois carbonos são oxidados no ciclo de Krebs. Elétrons são capturados pelo NAD+ e FAD para a cadeia de transporte de elétrons.
A partir de uma molécula de glicose, a oxidação produz seis moléculas de NADH, duas moléculas de FADH2 e duas moléculas de ATP.
A descarboxilação produz seis moléculas de CO2.
 
 A cadeia (sistema) de transporte de elétrons
Os elétrons são conduzidos á cadeia de transporte de elétrons pelo NADH.
A cadeia de transporte de elétrons consiste de transportadores, incluindo flavo-proteínas, citocromos e ubiquinas.
 O mecanismo quimiosmótico de geração de ATP
 
Prótons sendo bombeados através da membrana geram uma força próton motivo enquanto os elétrons se movem por meio de uma série de aceptores ou transportadores.
A energia produzida a partir do movimento dos prótons pela membrana é utilizada pela ATPsintase para fazer ATP a partir de ADP e P.
Em eucariotos, transportadores de elétrons estão localizados na membrana mitocondrial interna; em procariotos, transportadores de elétrons estão na membrana plasmática.
 Um resumo da respiração aeróbica
Em procariotos aeróbicos, 38 moléculas de ATP podem ser produzidas pela oxidação completa de uma molécula de glicose na glicólise, no ciclo de Krebs e na cadeia de transporte de elétrons.
Em eucariotos, 36 moléculas de ATP são produzidas da oxidação completa de uma molécula de glicose.
Respiração anaeróbica
Os aceptores finais de elétrons na respiração anaeróbica incluem NO3-, (SO4)2- e (CO3)2-.
O rendimento total de ATP é menor que na respiração aeróbica porque somente parte do ciclo de Krebs trabalha sobre condições anaeróbicas.
Fermentação
A fermentação libera energia de açúcares ou outras moléculas orgânicas através da oxidação.
O2 não é necessário para a fermentação.
Duas moléculas de ATP são produzidas pela fosforilação em nível de substrato.
Elétrons removidos do substrato reduzem NAD+.
O aceptor final de elétrons é uma molécula orgânica.
Na fermentação do ácido lático, ácido pirúvico é reduzido pelo NADH a ácido lático.
Na fermentação alcoólica, acetaldeído é reduzido pelo NADH para produzir etanol.
Fermentadores heteroláticos podem utilizar a via pentose fosfato para produzir ácido lático e etanol.
Catabolismo de lipídeos e de proteínas
As lipases hidrolisam lipídeos em glicerol e ácidos graxos.
Ácidos graxos e outros hidrocarbonetos são catabolizados através da beta-oxidação.
Produtos catabólicos podem ser posteriormente quebrados na glicólise e no ciclo de Krebs.
Antes de os aminoácidos poderem ser catabolizados, ele devem ser convertidos em várias substâncias que entram no ciclo de Krebs.Reações de trans-aminação, descarboxilação e desidrogenização convertem os aminoácidos para serem catabolizados.
Testes bioquímicos de identificação bacteriana
Bactérias e leveduras podem ser identificadas pela detecção da ação de suas enzimas.
Testes de fermentação são utilizados para determinar se um organismo pode fermentar um carboidrato para produzir ácido e gás.
Fotossíntese
Fotossíntese é a conversão de energia luminosa do sol em energia química; a energia química é utilizada para a fixação do carbono.
 As reações dependentes de luz: foto-fosforilação
Clorofila a é utilizada por plantas verdes, algas e ciano-bactérias; ela é encontrada nas membranas tilacoides.
Elétrons da clorofila passam por uma cadeia de transporte de elétrons, a partir do que ATP é produzido através da químio-síntese.
Na foto-fosforilação cíclica, os elétrons são utilizados para reduzir NADP+, e elétrons retornam á clorofila a partir de H2O ou H2S.
Quando H2O é oxidado por plantas verdes, algas e ciano-bactérias, O2 é produzido.
As reações independentes de luz: o ciclo de Calvin-Benson
CO2 é utilizado para sintetizar açúcares no Ciclo de Calvin-Benson.
Um resumo dos mecanismos de produção de energia
A luz solar é convertida em energia química em reações de oxidação-redução realizadas por foto-tróficos. Químio-tróficos podem utilizar essa energia química.
Nas reações de oxidação-redução, a energia é derivada da transferência de elétrons.
Para produzir energia, a célula necessita de um doador de elétrons (orgânico ou inorgânico), um sistema de transportadores de elétrons e um aceptor final de elétrons (orgânico ou inorgânico).
Diversidade metabólica entre os organismos
Foto-auto-tróficos obtêm energia através da foto-fosforilação e fixam carbono a partir de CO2 através do ciclo de Calvin-Benson para sintetizar compostos orgânicos.
Ciano-bactérias são foto-tróficos oxigênicos. Bactérias verdes e bactérias púrpuras são foto-tróficos anoxigênicos.
Foto-heterotróficos utilizam luz como uma fonte de energia e um composto orgânico como fonte de carbono e doador de elétrons.
Químio-autotróficos utilizam compostos inorgânicos como sua fonte de energia e dióxido de carbono como sua fonte de carbono.
Químio-heterotróficos utilizam moléculas orgânicas complexas como suas fontes de carbono e energia.
Vias metabólicas do uso de energia
 Biossíntese de poli-sacarídeos
Glicogênio é formado a partir de ADPG.
UDPNAc é o material inicial para a biossíntese de peptídeo-glicano.
 Biossíntese de lipídeos
Lipídeos são sintetizados a partir de ácidos graxos e colesterol.
Glicerol é derivado de diidroxiacetona fosfato, e ácidos graxos são formados de acetil CoA.
 
 Biossíntese de aminoácidos e proteínas
Aminoácidos são requeridos para a biossíntese de proteínas.
Todos os aminoácidos podem ser sintetizados direta ou indiretamente a partir de intermediários do metabolismo de carboidratos, particularmente do ciclo de Krebs.
 Biossíntese de purinas e pirimidinas
Os açúcares que compõem os nucleotídeos são derivados da via pentose fosfato ou da via Entner-Doudoroff.
Átomos de carbono e nitrogênio de certos aminoácidos formam os esqueletos de purinas e pirimidinas.
A integração do metabolismo
Reações anabólicas e catabólicas estão integradas por um grupo de intermediários comuns.
Tais vias metabólicas integradas são referidas como vias anfibólicas.