Metabolismo Microbiano

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Metabolismo Microbiano
Reações Catabólicas e Anabólicas
Metabolismo
Usamos o termo metabolismo para referir a soma de todas as reações químicas dentro de um organismo vivo. Uma vez que as reações químicas liberam ou requerem energia, o metabolismo pode ser visto como um ato de balanceamento de energia.
Consequentemente, o metabolismo pode ser dividido em duas classes de reações químicas: aquelas que liberam energia e aquelas que requerem energia.
Metabolismo
Catabolismo – hidrólise – exergônicas.
 Anabolismo – síntese por desidratação – endergônicas.
Enzimas
Teoria de Colisão – todos os átomos, íons e moléculas estão em constante movimento e que, portanto, estão em constantemente colidindo uns com os outros. A energia transferida pelas partículas na colisão pode desorganizar suas estruturas eletrônicas o suficiente para que as ligações químicas sejam quebradas ou novas ligações se formem.
A energia de colisão requerida para uma reação química é a sua energia de ativação, que é a quantidade de energia necessária para romper a configuração eletrônica estável de qualquer molécula específica para que os elétrons possam ser reorganizados.
Taxa de reação – é a frenquencia de colisões contendo energia suficiente para que a reação aconteça. Depende do número de moléculas reagentes que estejam no nível da energia de ativação ou acima desta. Uma forma de aumentar a taxa de reação de uma substância é aumentar a sua temperatura.
Enzimas e Reações Químicas
As substâncias que podem apressar uma reação química sem que esteja permanentemente alterada são chamadas de catalisadores.
Nas células vivas as enzimas servem como catalisadores biológicos. 
A enzima orienta o substrato para uma posição que aumente a probabilidade de uma reação ocorrer. O complexo enzima-substrato, formado por ligações temporárias da enzima e dos reagentes, faz com que as colisões sejam eficientes e diminui a energia de ativação da reação.
Especificidade e Eficiência Enzimática
A especificidade das enzimas é possibilitada por suas estruturas.
A configuração única de cada enzima a capacita a “encontrar” o substrato correto dentre o grande número de diversas moléculas na célula.
Nomenclatura das Enzimas
Os nomes das enzimas geralmente terminam em –ase. Todas as enzimas podem ser agrupadas em 6 classes, de acordo com o tipo de reação que catalizam.
Classificação das Enzimas com Base no Tipo de Reação Química Catalisada
Classe
Tipo de Reação Química Catalisada
Exemplos
Oxidorredutase
Oxidação-redução em que o oxigênioe hidrogênio são ganhos ou perdidos.
Citocromooxidase, lactadodesidrogenase
Transferase
Transferência de grupos funcionais, tais como um grupoamino, grupoacetilou grupo fosfato
Acetatoquinase, alaninadeaminase
Hidrolase
Hidrólise
Lipase,sacarase
Liase
Remoçãode grupos de átomos sem hidrólise
Oxalato descarboxilase,isocitratoliase.
Isomerase
Rearranjo de átomos dentro de uma molécula
Glicose-fosfatoisomerase, alaninaracemase.
Ligase
União de duas moléculas (usando energia)
Acetil-CoAsintetase, DNAligase.
Componentes das Enzimas
Embora algumas enzimas consistam inteiramente de proteínas, a maior parte consiste de uma porção protéica chamada de apoenzima e um componente não-protéico chamado de cofator. Íons de cálcio, zinco, magnésio ou ferro são exemplos de cofatores.
Se um cofator for uma molécula orgânica, é chamado de coenzima.
As apoenzimas são inativas sozinhas, elas precisam ser ativadas por cofatores. Juntos, a apoenzima e o cofator formam uma holoenzima, ou enzima completa. Se o cofator é removido, a apoenzima não funcionará.
Vitaminas Selecionadas e suas FunçõesCoenzimáticas
Vitamina
Função
Vitamina B1(tiamina)
Parte da coenzimacocarboxilase, tem muitas funções, incluindo o metabolismos do ácido pirúvico.
VitaminaB2(riboflavina)
Coenzima emflavoproteínas, ativa a transferência de elétrons.
Niacina(ácido nicotínico)
Parte da molécula de NAD,ativa a transferência de elétrons.
Vitamina B6(piridoxina)
Coenzima no metabolismo de aminoácidos
O Mecanismo de Ação Enzimática
As enzimas baixam a energia de ativação das reações químicas.
Fatores que Influenciam a Atividade Enzimática
As enzimas estão sujeitas a controle celulares diversos. Dois tipos principais são o controle da síntese enzimática e o controle da atividade enzimática.
Muitos fatores influenciam a atividade enzimática de uma enzima. Dentre eles estão: temperatura, pH e concentração de substrato.
Inibidores de Enzimas
Uma forma efetiva para controlar o crescimento de bactérias é controlar suas enzimas. Certos venenos, tal como cianeto, arsênio e mercúrio, combinam-se com enzimas e impedem seu funcionamento. Como resultado, as células param de funcionar.
Inibidores Competitivos
Os inibidores competitivos ocupam o sítio ativo de uma enzima e competem com o substrato normal pelo sítio ativo. Um inibidor competitivo pode fazer isso porque sua forma e estrutura química são similares àquelas do substrato normal.
Inibidores Não-Competitivos
Os inibidores não-competitivos não competem com o substrato pelo sítio ativo da enzima, ao invés disso, eles interagem com outra parte da enzima. Nesse processo chamado de inibição alostérica , o inibidor se liga a um outro sítio na enzima que não é o sítio de ligação do substrato, chamado sítio alostérico. Essa ligação troca a forma do sítio ativo, tornando-o não-funcional.
Produção de Energia
Moléculas nutrientes, como todas as moléculas, têm energia associada com os elétrons que formam as ligações entre seus átomos. Quando esta energia está distribuída por toda a molécula, é difícil para célula utilizá-la.
Várias reações em vias catabólicas, contudo, concentram a energia dentro das ligações do ATP, que serve como um conveniente transportador de energia.
O ATP é geralmente referido como tendo ligações de “alta energia”.
Antes de discutir as vias catabólicas, consideraremos dois aspectos gerais da produção de energia: o conceito de oxidação-redução e os mecanismos de geração de ATP.
Reações de Oxidação-Redução
Oxidação é a remoção de elétrons de um átomo ou molécula, uma reação que muitas vezes produz energia.
Reações de oxidação e redução estão sempre acopladas, em outras palavras, cada vez que uma substância é oxidada, a outra simultaneamente é reduzida.
A Geração de ATP
Muito da energia liberada durante reações de oxidação-redução é armazenada dentro da célula pela formação de ATP. Especificamente, um grupo de fosfato, é adicionado ao ADP com o insumo de energia para formar ATP.
A adição de fosfato a um composto químico é chamado de fosforilização.
Fosforilização em Nível de Substrato
Na fosforilização a nível de substrato, ATP é normalmente gerado quando um P de alta energia é diretamente transferido de um composto fosforilado (um substrato) a ADP.
Geralmente, o P adquiriu sua energia durante uma reação inicial em que o próprio substrato foi oxidado.
Fosforilização Oxidativa
Na fosforilazão oxidativa, os elétrons são transferidos do composto orgânico para um grupo de carreadores de elétrons (normalmente NAD+ e FAD). Os elétrons são, então, passados através de uma série de diferentes carreadores a moléculas inorgânicas. Esse processo ocorre na membrana plasmáticas dos procariotos e na membrana mitocondrial dos eucariotos.
Fotofosforilização
A fotofosforilização ocorre somente nas células fotossintéticas, que contêm pigmentos que absorvem luz, tais como clorofila. Na fotossíntese, as moléculas orgânicas, especialmente açúcares, são sintetizadas com energia da luz a partir de dióxido de carbono e água, compostos de baixa energia.
A fotofosforilazão inicia esse processo pela conversão de energia luminosa em energia química de ATP e NADPH.
Vias Metabólicas de Produção de Energia
Os organismos liberam e armazenam energia de moléculas orgânicas por meio de uma série de reações controladas, ao invés de ser uma única explosão. Se a energia fosse liberada toda de uma só vez, como uma grande quantidade de calor, ela não poderia ser prontamente utilizada para impulsionar as reações químicas e causaria, de fato, danos à célula.
Para extrair
energia de compostos orgânicos e a armazenar na forma química, os organismos passam elétrons de um composto a outro por uma série de reações de oxidação e redução.
Catabolismo de Carboidratos
A maioria dos microrganismos oxida carboidratos como sua fonte primária de energia celular. 
O catabolismos dos carboidratos, a quebra das moléculas de carboidrato para produzir energia, é portanto de grande importância no metabolismo celular.
Para produzir energia a partir da glicose, os microrganismos utilizam dois processos gerais: a respiração celular e a fermentação.
Ambos os processos geralmente iniciam com o mesmo primeiro passo, glicólise, mas seguem vias subsequentes diferentes.
Glicólise
A glicólise, a oxidação da glicose em ácido pirúvico, é geralmente a primeira etapa no catabolismo de carboidratos. 
A maioria dos microrganismos utiliza essa via, de fato, isso ocorre na maior parte das células vivas.
Alternativas à Glicólise
Muitas bactérias possuem outra via além da glicólise para oxidar a glicose. A alternativa mais comum é a via da pentose fosfato, outra alternativa é a via Entner-Doudoroff.
A Via Pentose Fosfato
A via pentose fosfato funciona simultaneamente com a glicólise e fornece condições para a quebra de açúcares de cinco carbonos.
A via é uma importante produtora de coenzima reduzida NADPH a partir de NADP+.
As bactérias que utilizam a via pentose fosfato incluem Bacillus subtilis, E. coli, Leuconostoc mesenteroides e Enterococcus faecalis.
A Via Entner-Doudoroff
As bactérias que possuem enzimas para a via Entner-Doudoroff podem metabolizar a glicose sem a glicólise ou a via da pentose fosfato.
Essa enzima é encontrada em bactérias gram-negativas, incluindo Rhizobium, Pseudomonas e Agrobacterium. 
Respiração Celular
Após a glicose ter sido quebrada em ácido pirúvico, o ácido pirúvico pode ser guiado ao próximo passo da fermentação ou da respiração celular.
A Respiração Celular, é definida como o processo de geração de ATP em que moléculas são oxidadas e o aceptor final de elétrons é(quase sempre) uma molécula inorgânica.
Existem dois tipos de respiração, dependendo se um organismo é aeróbico, aquele que utiliza oxigênio, ou anaeróbico, aquele que não utiliza oxigênio.
Respiração Aeróbica
Glicólise
Ciclo de Krebs
Cadeia Respiratória
Respiração Anaeróbica
Na respiração anaeróbica, o aceptor final de elétrons é uma substância inorgânica diferente do oxigênio. Algumas bactérias, tais como Pseudomas e Bacillus, podem utilizar um íon de nitrato como aceptor final de elétrons.
Fermentação
Após a glicose ter sido quebrada em ácido pirúvico, o ácido pirúvico pode ser completamente quebrado na respiração celular, ou pode ser convertido em um produto orgânico na fermentação.
Fermentação Lática
Durante a glicólise, que é a primeira fase da fermentação do ácido lático, uma molécula de glicose é oxidada em duas moléculas de ácido pirúvico.
Essa oxidação gera energia e é utilizada para formar as duas moléculas de ATP. No próximo passo, as duas moléculas de ácido pirúvico são reduzidas por duas moléculas de NADH para formar duas moléculas de ácido lático.
Devido ao fato do ácido lático ser o produto final da reação, ele não sofre mais oxidação, e a maioria da energia produzida pela reação permanece armazenada no ácido lático. Então a fermentação rende somente uma pequena quantidade de energia.
Dois gêneros importantes de bactérias realizam essa fermentação: Streptococcus e Lactobacillus.
Fermentação Alcoólica
A fermentação alcoólica também começa com a glicólise de uma molécula de glicose para obter duas moléculas de ácido pirúvico e duas moléculas de ATP. Na próxima reação, as duas moléculas de ácido pirúvico são convertidas em duas moléculas de acetaldeído e duas de Co2 . As duas moléculas de acetaldeído são então reduzidas por duas moléculas de NADH para formar duas moléculas de etanol.
Outra vez, a fermentação alcoólica é um processo de baixo rendimento energético porque a maioria da energia contida na molécula de glicose original permanece no etanol, o produto final.
Essa fermentação é realizada por algumas bactérias e leveduras, principalmente a Saccharromyces.