Aula 3 Metabolismo microbiano

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Metabolismo microbiano 
Metabolismo 
Do grego metabole = mudança, transformação 
1.Conceitos básicos 
METABOLISMO 
Conjunto das reações bioquímicas que ocorrem dentro da célula, 
necessárias a vida. 
Catabolismo 
BIODEGRADAÇÃO 
 
Anabolismo 
BIOSSÍNTESE 
 
Obtenção de energia 
Energia 
compostos orgânicos 
compostos inorgânicos 
luz 
A partir de: 
• A energia liberada das reações deve ser conservada para utilização pelas células. 
• A energia é armazenada em ligações químicas de alta energia (fosfato) em moléculas 
simples, de forma a ser prontamente utilizável. 
Estocagem da energia 
O ATP é o composto de alta energia mais importante nos seres vivos. 
 
Apesar disso sua concentração nas células é relativamente baixa, sendo consumido ao 
mesmo tempo em que é produzido. 
 
Para o armazenamento de energia por períodos longos, os microrganismos produzem 
polímeros insolúveis que podem ser oxidados posteriormente. 
 
Ex.: polímeros de glicose (amido e glicogênio), polímeros lipídicos, Poliidroxialcanoatos 
(PHAs, o biopoliéster, ou plástico orgânico). 
Ralstonia eutropha 
A célula produz energia para: 
 
• Síntese de seus componentes: parede, membrana, etc. 
• Síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, etc. 
• Reparos e manutenção. 
• Crescimento e multiplicação. 
• Acumulação de nutrientes e excreção de produtos indesejáveis. 
• Motilidade. 
 
Utilização de energia 
a) As reações metabólicas ocorrem de forma gradual (etapas) nas 
quais os átomos dos intermediários são re-arranjados até a formação 
do produto final. 
b) Cada etapa requer uma enzima específica 
c) A sequência das reações, começando pelos primeiros ingredientes 
até ao produto final, se denomina VIA METABÓLICA. 
 
 Vias metabólicas 
 As reações de oxi-redução (redox) 
 
 
 
 
 
Nas vias metabólicas é importante considerar as reações de oxidação e redução: 
 
- Um composto se torna reduzido quando: 
 
1. Ganha elétrons 
2. Se liga a um átomo menos eletronegativo 
3. E geralmente isto ocorre quando se liga ao hidrogênio 
 
 
- Um composto se torna oxidado quando: 
 
1. Perde elétrons. 
2. Se liga a um átomo mais eletronegativo . 
3. Isto geralmente ocorre quando se liga ao oxigênio . 
 
 
Formas reduzidas de C (carbohidratos, metano, lipídios, álcoois) são 
responsáveis por importantes estocagens de energia em suas ligações. 
 
 Formas oxidadas de C (cetonas, aldeídos, ácidos carboxílicos e CO2) 
 dispõem de pequeno potencial energético em suas ligações. 
2. Classes microbianas 
Mecanismos para conservação de energia 
(síntese de ATP) 
Os Quimiotróficos apresentam dois mecanismos conhecidos: 
 
1. RESPIRAÇÃO: atuam aceptores externos de elétrons (fosforilação oxidativa) 
 Podendo ser: 
 Aeróbia: o aceptor externo é o oxigênio 
 Anaeróbia: aceptores diferentes do oxigênio (nitrato, sulfato, carbonato, ...) 
 
2. FERMENTAÇÃO: ocorre na ausência de aceptores externos de elétrons 
 (fosforilação em nível de substrato) 
 
 
1. Respiração aeróbia: é o procedimento mais comum às células e 
compreende 3 etapas: 
 
1) Piruvato (glicólise quando o substrato é a glicose) 
2) Ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs) 
3) Cadeia respiratória 
1ª etapa: Via Glicolítica ou Glicólise 
É considerada a via metabólica mais primitiva, presente em todas as formas de vida atuais. 
Ocorre no citoplasma das células. 
Características: 
 
1. Oxidação parcial da glicose 
a ácido pirúvico 
2. Pequena quantidade de 
ATP é produzida 
3. Pequena quantidade de 
NAD é reduzida a NADH 
 
Produção direta de 1 
guanosina trifosfato, GTP 
(equivalente ao ATP) 
Além do papel-chave nas reações 
catabólicas, o ciclo de Krebs é importante 
nas reações biossintéticas. 
 
Os intermediários são desviados para vias 
biossintéticas quando necessário: 
 
Exemplos: 
α-cetoglutarato: precursor de aminoácidos 
Oxalacetato: precursor de aminoácidos 
Succinil-CoA: formação de citocromos e da 
 clorofila, entre outros 
Acetil-CoA: biossíntese de ácidos graxos 
 
2ª etapa: Ciclo de Krebs 
Ocorre no citoplasma (procariotos) e nas mitocôndrias (eucariotos). 
Reações preparatórias: 
formação de composto 
chave do processo 
3ª etapa: Cadeia respiratória (sistema de transporte de elétrons) 
Ocorre ao nível da membrana das mitocôndrias (eucariotos) e na membrana citoplasmática 
(procariotos) 
Os prótons e elétrons recolhidos na glicólise pelo NAD 
e no Ciclo de Krebs pelo NAD e FAD são transportados 
ao longo de uma cadeia de citocromos em níveis 
sucessivamente mais baixos de energia de modo que 
seja melhor aproveitada na formação de ATP. 
Síntese da respiração aeróbia 
 Reações de oxidação e redução em presença de um aceptor de 
elétrons externo, o O2 
 A molécula inteira do substrato é oxidada até CO2 
 Alto potencial de energia 
 Grande quantidade de ATP é gerada: até 38 ATPs 
Produção de ATP: 
 
Na cadeia respiratória: 
4 NADH formados na glicólise geram 12 ATP 
6 NADH formados no ciclo de Krebs geram 18 ATP 
2 FADH formados no ciclo de Krebs geram 4 ATP 
Formação direta na Glicólise 2 ATP 
Formação direta no Ciclo de Krebs 2 GTP 
Total de até .................................................... 38 ATP 
Respiração anaeróbia 
•É uma variação, alternativa, da respiração aeróbia: o aceptor de elétrons não é o 
oxigênio. 
 
 Uma implicação é que rendimento energético é inferior: nenhum dos aceptores 
alternativos apresenta potencial tão oxidante quanto o oxigênio. 
 Em contrapartida, o uso de aceptores alternativos permitiram os microrganismos 
respirarem em ambientes sem oxigênio, sendo de extrema importância ecológica. 
 Uma aplicação importante que ganhou muita atenção nos dias atuais é a 
utilização de processos anaeróbios no tratamento de efluentes: 
A respiração anaeróbia, exclusividade dos procariotos, só ocorre 
em ambientes onde o oxigênio é escasso, como nos sedimentos 
(esterqueiras, câmaras de fermentação e alguns ferimentos ou 
tecidos lesados. Ex: Clostridium tetani e Bacillus anthracis. 
Clostridium tetani - Tétano Bacillus anthracis - Carbúnculo hemático / Antrax 
2. Fermentação (também é uma forma de respiração anaeróbia) 
Reação de oxidação-redução internamente balanceada. 
Ausência de aceptores externos. 
A concentração de NADH nas 
células é baixo, precisando ser 
re-oxidado para não cessar a 
via glicolítica. 
A redução do piruvato a etanol 
ou outros produtos restabelece 
o NAD e permite a continuidade 
da glicólise . 
Produção líquida de apenas 2 
ATP. 
Características da fermentação: 
 
 Ácido pirúvico é reduzido a ácidos orgânicos e álcoois. 
 NADH é oxidado a forma NAD: essencial para 
operação continuada da via glicolítica. 
 O2 não é necessário. 
 Não há obtenção adicional de ATP. 
 Gases (CO2 e/ou H2) podem ser produzidos. 
 As vias fermentativas são úteis na identificação 
bioquímica: 
 Fermentação de múltiplos ácidos 
• Escherichia coli 
• Base para teste Vermelho de Metila (VM) 
 
 Fermentação 2,3-Butanodiol 
• Enterobacter aerogenes 
• Base para o teste de Voges-Proskauer (VP) 
 
 Também são utilizadas na indústria: 
 
Sínteses de compostos orgânicos importantes 
Fototropia 
A utilização da energia da luz - Fotossíntese 
a. Fotossíntese oxigênica 
 
 Presente nas cianobactérias e nos cloroplastos 
dos eucariontes (microalgas por ex.) 
Doador de elétrons é H2O: sua oxidaçãogera 
o O2 como subproduto. 
 Dois fotossistemas: PSI e PSII 
 Maior função é produzir NADPH e ATP 
para a fixação de C (produção de matéria 
orgânica) 
Cloroplasto 
Cianobactérias 
Fotossistemas em lamelas