Obtenção de energia por microrganismos procarióticos

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Obtenção de energia por micro-organismos procarióticos 
 
 
 
 
 
- Importância → manutenção do 
 metabolismo celular 
 
 
 - Vias catabólicas: 
 - degradação de compostos 
 - obtenção de energia 
 
 - Vias anabólicas: 
 - síntese de compostos 
 - gasto de energia 
- ATP → molécula de transferência de energia: 
ATP  ADP + PO4
2- + energia 
- Processos de síntese de ATP: 
 
 
 1 - Fosforilação em nível do substrato: 
 
 
 2 - Via ATPase membranar → necessidade de moléculas 
 doadoras de elétrons: 
 
 - Coenzimas reduzidas em vias catabólicas: 
 NAD+ + 2 e- + 2 H+ → NADH + H+ 
 FAD+ + 2 e- + 2 H+ → FADH2 
 
 - Compostos inorgânicos: H2, Fe
2+, NO2
- 
- Dois métodos de obtenção de energia: 
 
 Oxidação de compostos químicos orgânicos ou inorgânicos → seres vivos 
 quimiotróficos 
 Luz → seres vivos fototróficos 
Quimioheterotróficos 
Quimioautotróficos 
Fototróficos 
1) Bactérias quimioheterotróficas: 
 
 - Uso de moléculas orgânicas 
 - Principal molécula orgânica → glicose 
 - Dois mecanismos: - Respiração 
 - Fermentação 
 
 - Respiração: 
 
 - oxidação completa da molécula orgânica: 
 C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O 
 Glicose 
 Embden-Meyerhof 
 Entner-Doudoroff 
 - Três etapas: - vias glicolíticas Pentoses-fosfato 
 - ciclo de Krebs 
 - fosforilação oxidativa 
 
 
 
-Via de Embden-Meyerhof: 
 
- via glicolítica clássica 
- eucariotos, procariotos 
 
 
 
Glicose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 
  
2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH 
 
- Glicose → Glicose 6-fosfato: 
 
Eucariotos, vários procariotos: hexocinase / gasto de ATP 
 
Alguns procariotos: translocação de substrato (sistema fosfotransferase) 
 Modificação química do substrato na passagem pela membrana 
- Via de Entner-Doudoroff: - via das Pseudomonas 
 - ausência de fosfofrutocinase 
 - produção de NADPH → uso em biossíntese 
 
 
 
 
 
 
 
Glicose + ADP + Pi + 2 NADP+ 
  
2 Piruvato + ATP + 2 NADPH 
 
 
-Via das pentoses-fosfato: 
 
 Glicose + ATP + 2 NADP+ 
  
 Ribulose 5-fosfato + CO2 + ADP + Pi + 2 NADPH 
 
- NADPH → biossíntese 
 
-Ribulose 5-fosfato → estrutura de DNA, RNA, NAD, ATP 
Glicose 6-fosfato Ribulose 5-fosfato 
Relação da via das pentoses-fosfato 
 com a via glicolítica clássica: 
- Ciclo de Krebs: - Citoplasma de procariotos 
 - Oxidação total da glicose 
 - Grande produção de coenzimas reduzidas 
 
2 Piruvato + 2 ADP + 2 Pi + 2 FAD+ + 8 NAD+ 
  
 6 CO2 + 2 ATP + 2 FADH2 + 8 NADH 
Piruvato 
 
NADH 
Via glicolítica, Ciclo de Krebs: conversão de aminoácidos, lipídeos, carboidratos 
Vias glicolíticas, ciclo de Krebs: vias anfibólicas 
- Fosforilação oxidativa: 
 
 - Cadeia transportadora de elétrons: 
 - membrana plasmática de procariotos 
 - composição variada: flavoproteínas / quinonas / citocromos 
 - 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) 
 
Par oxidação-redução: 
 
Quanto maior ΔE, maior a energia liberada. 
- Coenzimas reduzidas na via glicolítica, 
ciclo de Krebs  baixo valor de E 
 
- Compostos inorgânicos (O2, NO3
-) → alto 
valor de E (aceptores de elétrons) 
 
- Energia liberada → formação de gradiente 
de prótons na membrana → força próton-
motora 
 
- ATPase na membrana: 
 
 - canal de prótons 
 - síntese de ATP 
 
 1 NADH → síntese de 3 ATP 
 
 1 FADH2 → síntese de 2 ATP 
 
Força próton-motora em procariotos: 
 
 - síntese de ATP 
 - movimento do flagelo 
 - transporte de substratos contra o gradiente de concentração 
Respiração aeróbia: - O2 é o aceptor final dos elétrons da cadeia 
 - eucariotos, vários procariotos 
Respiração anaeróbia: - O2 não é o aceptor final de elétrons da cadeia 
 - vários procariotos 
 - processo anaeróbico 
 
 Possíveis aceptores de elétrons: 
 
 NO3
- → NO2
- Pseudomonas, Bacillus, Escherichia 
 SO4
2- → H2S 
 S0 → H2S 
 Fe3+ → Fe2+ 
 
 
 Menores valores de E do que O2 → menor liberação de energia: 
 
 1 NADH → 2 ATP 1 FADH2 → 1 ATP 
 
 
 - ocupação de diferentes ambientes 
 - crescimento mais lento do que em aerobiose 
- Fermentação: 
 
 - oxidação parcial da molécula orgânica 
 - síntese de ATP por fosforilação em nível do substrato 
 - via mais utilizada: glicólise 
 - sem cadeia transportadora de elétrons 
 - presença de ATPase membranar → gasto de ATP para formação 
 de gradiente de prótons 
 - processo anaeróbico (ausência de O2) 
 
 Glicose 2 Piruvato + 2 NADH + 2 ATP 
 Glicólise (Rendimento total) 
 elétrons 
 
 Piruvato → reduzido Vários processos 
 NADH → oxidado 
 
 - produto final → nome da fermentação 
 - importância: - identificação do microrganismo 
 - processos industriais 
- Fermentação lática: 
 
 Streptococcus mutans → cárie 
 
 Acidificação de mucosas 
 
 Acidificação de alimentos → 
preservação (leite, iogurte, picles) 
 
 
-Fermentação etanólica: 
 
 Leveduras, algumas bactérias 
 
 Álcool combustível, bebidas alcoólicas 
 
 Liberação de CO2 → fermento biológico 
-Fermentação de aminoácidos: 
 
 - Clostridium 
 - Fermentação de pares de aminoácidos: 
 
- Clostridium perfringens: putrescina, cadaverina 
- Comparação Respiração x Fermentação: 
Respiração 
aeróbia 
Respiração 
anaeróbia 
Fermentação 
Oxidação da 
molécula 
orgânica 
Total – CO2 Total – CO2 
Parcial – lactato, 
etanol... 
Aceptor de 
elétrons 
Externo - O2 
Externo - NO3
-, 
Fe3+... 
A própria molécula 
orgânica (piruvato) 
Produção de 
ATP 
Principalmente por 
fosforilação 
oxidativa 
Principalmente 
por fosforilação 
oxidativa 
Fosforilação em 
nível do substrato 
Rendimento de 
ATP por glicose 
Alto (38) Alto (< 38) Baixo (2-3) 
Consumo de 
glicose 
Baixo Intermediário Alto 
Bactéria facultativa: 
 
 - com O2 → respiração aeróbia ( ATP) 
 - sem O2 → respiração aneróbia ou fermentação 
 
E. coli: respiração aeróbia/ respiração anaeróbia do nitrato / fermentação 
 
 Presença de O2 → respiração aeróbia 
(repressão da expressão de nitrato redutase, enzimas de fermentação) 
 
 Ausência de O2, presença de NO3
2- → respiração anaeróbia 
(ausência da repressão de nitrato redutase, repressão da expressão 
de enzimas de fermentação) 
 
 Ausência de O2 e NO3
2- → fermentações 
 
2) Bactérias quimioautotróficas: 
 
 - Fonte de energia: oxidação de compostos químicos inorgânicos 
 - Variedade de compostos químicos usados (H2, NO2
-, Fe2
+, S0) 
 - Cadeia transportadora de elétrons na membrana 
 - Formação de gradiente de prótons → síntese de ATP 
 - Aceptor de elétrons variado 
 
 - Oxidação de H2: 
 
 - Presença de hidrogenases: 
 - membranar: doação de elétrons para a cadeia 
 - citoplasmática: redução de NAD+ para a síntese de 
 compostos orgânicos 
 
- Oxidação de compostos contendo Nitrogênio: 
 
 - Nitrosomonas: NH4
+ → NO2
- 
 - Nitrobacter:NO2
- → NO3
- 
3) Bactérias fotoautotróficas: 
 
 - Energia luminosa 
  
 Energia química (ATP) 
 
 - Pigmentos para absorção de 
energia luminosa: 
 
 Bacterioclorofilas → membrana 
 Carotenóides, ficobilinas 
 
 - Emissão de elétrons pelos 
pigmentos para a cadeia 
transportadora de elétrons 
 
- Fotossíntese oxigênica: 
 
 - vegetais, algas, cianobactérias 
 - produção de O2 a partir de H2O 
 
-Fotossíntese anoxigênica: 
 
 - bactérias verdes e púrpuras 
 - anaerobiose 
 - doador de elétrons variável, menos 
H2O → composto inorgânico (H2, H2S) 
 
4) Bactérias fotoheterotróficas: 
 
 - fotossíntese anoxigênica 
 - bactérias verdes e púrpuras 
 - doador de elétrons → composto orgânico (*) 
 
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