Metabolismo microbiano

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Metabolismo microbiano 
O metabolismo consiste na acumulação e na degradação de 
nutrientes dentro de uma célula. Essas reações químicas fornecem 
energia e geram substâncias que sustentam a vida. 
 
 
 
Panorama 
Existem dois componentes essenciais: 
1. Enzimas: substrato (+ cofator/coenzima) produtos 
2. ATP: molécula utilizada para gerenciar atividades energéticas, a partir 
da retirada de um fosfato terminal. 
 
As vias podem ser classificadas em: 
1. Catabólicas: quebram macromoléculas em componentes mais simples, 
liberando energia no processo. Em geral, são reações hidrolíticas (utiliza 
água para a quebra) e exergônicas (produzem mais energia do que 
consomem). 
2. Anabólicas: constroem macromoléculas por meio da combinação de 
moléculas mais simples, utilizando energia no processo. Frequentemente 
envolvem reações de síntese por desidratação (liberam água) e 
endergônicos (consomem mais energia que produzem). 
 
Quando um grupo fosfato terminal é retirado do ATP, o difosfato de 
adenosina (ADP) é formado e a energia é liberada para dirigir reações 
anabólicas. A energia das reações catabólicas é utilizada para combinar 
ADP e fosfato inorgânico, a fim de ressintetizar um ATP. 
Por isso, reações anabólicas são acopladas à quebra do ATP e as reações 
catabólicas são acopladas à síntese de ATP. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Somente parte da energia liberada no catabolismo está disponível para as 
funções celulares, pois parte da energia é perdida no ambiente como calor. 
Como uma célula precisa de energia para se manter viva, ela tem uma 
necessidade constante de novas fontes externas dessa energia. 
 
Teoria da colisão 
Para as reações químicas ocorrerem atómos, íons ou moléculas devem 
colidir. A teoria da colisão explica como as reações químicas ocorrem e 
como certos fatores afetam a taxa dessas reações. A energia transferida 
pela partículas na colisão pode romper as estruturas eletrônicas o 
suficiente para quebrar as ligações químicas ou formar novas ligações. A 
energia de colisão necessária para uma reação química é a energia de 
ativação. A frequência de colisões contendo energia suficiente para 
desencadear uma reação é chamada de taxa de reação e depende do 
número de moléculas reagentes que estejam no nível da energia de 
ativação ou acima dela. 
 
As enzimas aumentam a taxa de reação, acelerando a reação ao diminuir a 
energia de ativação. A atividade enzimática acontece: 
1-ligação entre substrato e sítio ativo. 
2-formação do complexo enzima-substrato. 
3-transformação do substrato, pela quebra ou combinação. 
4-produtos da reação liberados. 
5-enzima inalterada pronta para reagir com outra molécula. 
 
Especificidade e eficiência enzimática 
As enzimas apresentam especificidade por determinados substratos. A 
forma tridimensional dos aminoácidos específicos do sítio ativo se encaixa 
no substrato de uma maneira parecida com uma fechadura que se encaixa 
em uma chave. 
Contudo, o sítio ativo e o substrato são flexíveis, e eles modificam um 
pouco a sua forma quando se encontram para se encaixarem mais 
firmemente. Além disso, um certo composto pode ser substrato de muitas 
enzimas. 
O número de turnover (número máximo de moléculas de substrato que 
uma molécula de enzima converte em produto em cada segundo) é de 1 a 10 
mil, podendo ser tão alto quanto 500 mil. 
 
Classificação das enzimas 
- Oxidorredutase: reação de oxidação-redução; Transferência de grupos 
funcionais; Hidrolase: hidrólise; Liase: remoção de grupos de átomo sem 
hidrólise; Isomerase: rearranjo de átomos dentro da molécula; Ligase: 
união de duas moléculas. 
 
Componentes das enzimas 
Apoenzima: porção proteica inativa. 
Cofator/coenzima: porção não proteica, ativador. 
Holoenzima: apoenzima+cofator, formando uma enzima completa. 
 
*Duas coenzimas mais importantes no metabolismo celular são a 
nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+) e a nicotinamida adenina 
dinucleotídeo fosfato (NADP+), que funcionam como carreadores de 
elétrons. A coenzima A (CoA) também é importante para a degradação de 
gorduras e no desempenho do ciclo de Krebs. 
 
Fatores que influenciam a atividade enzimática 
Existem muitas formas de controles celulares para as enzimas, mas os 
dois principais são o controle da síntese enzimática e o controle da 
atividade enzimática. 
Os fatores mais importantes para a atividade enzimática são: 
o Temperatura: uma maior temperatura leva uma maior velocidade de 
reações. Contudo, uma elevação acima de certa temperatura (a 
temperatura ótima) reduz significativamente a velocidade da reação. 
Isso acontece devido a desnaturação, que modifica o arranjo dos 
aminoácidos no sítio ativo. 
o pH: a melhor atividade da enzima depende do seu pH ótimo. Mudanças 
acima ou abaixo desse valor diminui a velocidade da reação. Mudanças 
extremas no pH podem causar desnaturação. Ácidos (e bases) alteram 
a estrutura tridimensional da proteína, pois o H (e o OH) competem 
com o hidrogênio e as ligações iônicas presentes em uma enzima, 
resultando na desnaturação. 
o Concentração do substrato: a enzima fica saturada quando a 
concentração de substratos está elevada (seu sítio da enzima está 
sempre ocupado e ela realiza a reação em velocidade máxima). Sob 
condições celulares normais, as enzimas não estão saturadas com 
substrato(s). 
o Inibidores: podem ser competitivos ou não competitivos: Os 
competitivos ocupam o sítio ativo de uma enzima e competem com o 
substrato normal pelo sítio ativo, possuindo forma e estrutura química 
similar ao substrato normal, só que ele não forma produtos. Essa 
ligação pode ser reversível ou irreversível. 
Ex: sulfanilamida inibe a enzima cujo substrato é o ácido para-
aminobenzoico, que é um nutriente essencial utilizado por muitas bactérias 
na síntese do ácido fólico, vitamina que funciona como coenzima. 
Os inibidores não competitivos interagem com outra porção da enzima. 
Nesse processo, chamado de inibição alostérica, o inibidor liga-se a um 
sítio na enzima diferente do sítio de ligação ao substrato, chamado de 
sítio alostérico, o que causa uma modificação da conformação do sítio 
ativo, tornando-o não funcional. Pode ser reversível ou irreversível. 
Ex: cianeto pode se ligar ao ferro nas enzimas contendo ferro, 
funcionando como um veneno enzimático, por inativarem 
permanentemente as enzimas. 
Aqui devemos destacar a importância da inibição por 
retroalimentação, que impede a célula de gastar recursos químicos 
na produção de mais substâncias do que o necessário. 
Ribozimas 
Um tipo específico de RNA, que, como as enzimas proteicas, funcionam 
como catalisadores, têm sítios ativos que se ligam ao substrato e não são 
consumidas na reação química. Estão envolvidas na fabricação de 
proteínas nos ribossomos. 
 
Produção de energia 
Várias reações nas vias catabólicas concentram a energia dentro das 
ligações do ATP, que serve como um transportador conveniente de energia. 
Para compreender as vias catabólicas é necessário entender o conceito de 
oxidação-redução e os mecanismos de geração do ATP. 
a)oxidação-redução: são reações acopladas, uma vez que quando uma 
substância é oxidada, outra é simultaneamente reduzida. Uma molécula 
sofre oxidação (perdeu um ou mais elétrons), ao passo que outra molécula 
sofre redução (ganhou um ou mais elétrons). Em muitas oxidações, 
elétrons e prótons (H+) são removidos ao mesmo tempo. 
Ex: a coenzima NAD+ após uma redução recebe um átomo de hidrogênio e 
dois elétrons com um H+ liberado no meio, formando o NADH. 
b)produção de ATP: Grande parte da energia liberada durante as reações 
de oxidação-redução é armazenada dentro da célula pela formação de ATP. 
ADP + energia + fosfato inorgânico ATP 
A ligação entre cada fosfato é de alta energia. 
A adição do fosfato a um composto químico é chamada de fosforilação, que 
pode ser: em nível de substrato (um P de alta energia é transferido de um 
substrato ao ATP);oxidativa (os elétrons são transferidos de compostos 
orgânicos para um grupo de carreadores de elétrons como NAD e FAD); 
fotofosforilação (ocorre em células fotossintéticas com a conversão da 
energia luminosa em energia química). 
 
 
 
 
Catabolismo de carboidratos 
A glicose é o carboidrato fornecedor de energia mais comum utilizado 
pelas células. Os microrganismos também podem catabolizar vários 
lipídeos e proteínas para produção de energia. 
A partir da glicose, a produção de energia pode acontecer pela respiração 
celular ou pela fermentação, ambas iniciando pela mesma etapa: 
glicólise. 
 
Exigências mínimas: uma fonte de carbono e nitrogênio, uma fonte de 
energia, água e vários íons. Os elementos essenciais são aqueles que são 
componentes proteínas, lipídios e ácidos nucleicos (C, O, S, etc), íons 
importantes (Na+, K+,Mg++, etc) e componentes de enzimas (Fe, Mn, Ni, 
etc). O oxigênio é essencial a depender do tipo de bactéria, que pode ser 
anaeróbios obrigatórios, aeróbios obrigatórios e anaeróbios facultativos. 
As bactérias que dependem de fonte inorgânica para produzir energia e 
CO2 são autotróficas, enquanto as que exigem fontes de carbono orgânicas 
são heterotróficas. 
 
glicólise 
Ou via de Embden-Meyerhof, é a oxidação da glicose em ácido pirúvico. 
Acontece da seguinte forma: 
1- Glicose entra, é fosforilada; gasta 1 ATP e forma glicose-6-fosfato; 
2- Glicose-6-fosfato vira frutose-6-fosfato; 
3- Gasta 1 ATP para formar frutose-1, 6-difosfato; 
4- Cliva o ácucar em 2 moléculas: DHAP e GP; 
5- DHAP é convertido em GP (pode acontecer o inverso também); 
6- Cada GP oxida e com Pi vira ácido 1,3-difosfoglicérico, forma NADH; 
7- Um dos P de cada difosfoglicérico é transferido para ADP, forma ATP; 
8- Realocação do P formando ácido-2-fosfoglicérico. 
9- Conversão em ácido fosfoenolpirúvico (PEP), perda de H2O; 
10- O P do PEP é transferido para ADP, forma ATP, termina em ácido 
pirúvico. 
 
Vias alternativas 
o Via das pentoses fosfato: fornece um meio para a quebra de açúcares 
de cinco carbonos (pentoses) e glicose, e ela produz pentoses 
intermediárias essenciais, utilizadas na síntese de (1) ácidos nucleicos, 
na (2) glicose a partir de dióxido de carbono na fotossíntese e em (3) 
certos aminoácidos. A via é uma importante produtora da coenzima 
reduzida NADPH a partir de NADP. 
o Via de Entner-Doudoroff: Assim como a glicólise, fosforila açúcares de 
6 carbonos e cliva em compostos de 3 carbonos. A diferença é que em 
vez de clivar frutose-1,6-difosfato, cliva 2-ceto-3-desoxi-6- 
fosfogliconato. 
Glicose + ADP + NADP+ + NAD+ + Pi → 2 piruvato + ATP + NADPH + NADH 
o Via da fosfocetolase: Bactérias láticas heterofermentadoras, bem 
como bifidobactérias, fazem a oxidação de carboidratos por uma via 
denominada via da fosfocetolase. Esta enzima cliva cetoses 
fosforiladas por introdução de fosfato inorgânico. 
 
Destinos do piruvato 
1. Fermentações 
2. Descarboxilação oxidativa 
pelo complexo piruvato 
desidrogenase 
3. Conversão a acetil-CoA 
 pela piruvatoformiato liase 
4. Sínteses 
 
resoiração celular 
Aerobia 
o aceptor final de elétrons é o O2; 
O ciclo de Krebs , consiste em uma série de reações bioquímicas, nas quais 
a grande quantidade de energia química potencial armazenada no acetil-
CoA é liberada passo a passo. 
A sequência de reações químicas catalisadas por enzimas 
ocorrendo em uma célula é chamada de via metabólica. 
Primeiramente: o ácido pirúvico sofre descarboxilação, perde um CO2, e se 
liga à coenzima A, formando acetil-CoA, o ácido pirúvico também é oxidado, 
formando NADH. 
1 glicose  2 piruvatos 2 acetil-CoA; 2 CO2; 2 NADH 
 
Então, a partir da acetil coenzima A, o ciclo de Krebs de inicia: 
1- Enzimas retiram a CoA, associando o acetil (2C) com o ácido 
oxalacético (4C), formando o ácido cítrico (6C). 
2- Rearranjo do ácido cítrico em ácido isocítrico (6C). 
3- Descarboxilação e oxidação, formando ácido α-cetoglutárico (5C) e 
liberando CO2 e NADH. 
4- Mais uma descarboxilação e oxidação com nova adição de CoA, 
formando succinil-CoA (4C) e liberando CO2 e NADH. 
5- CoA é removida, formando ácido succínico (4C). Produção de ATP por 
fosforilação a nível de substrato. 
6- Rearranjo das ligações formando ácido fumárico (4C) com oxidação 
transformando FAD em FADH2. 
7- Outro rearranjo com formação de ácido málico (4C). 
8- Outro rearranjo formando ácido oxalacético (4C) com outra oxidação 
com NADH. O ácido oxalacético está pronto para reiniciar o ciclo se 
juntando ao acetil. 
*Essa sequência de reações foi para apenas 1 piruvato, para 1 glicose, deve 
multiplicar por 2. 
 
A fase seguinte é a cadeia de transporte de elétrons. Nas células 
eucarióticas, a cadeia de transporte de elétrons está contida na membrana 
interna de mitocôndrias; nas células procarióticas, ela é encontrada na 
membrana plasmática. 
Há três classes de moléculas carreadoras nas cadeias de transporte de 
elétrons: 
- Flavoproteínas: contêm flavina, são capazes de realizar oxidações e 
reduções alternadas. 
- Citocromo: proteínas que contêm um grupo ferro (heme) capaz de existir 
alternadamente em sua forma reduzida (Fe2) e em sua forma oxidada (Fe3). 
- Ubiquinonas, ou coenzima Q (Q), são pequenos carreadores não 
proteicos. 
As bactérias apresentam diversidade no que se refere a carreadores 
utilizados e a sequência de atuação. 
 
Etapas: 
1- Elétrons de alta energia são transferidos do NADH ao carreador flavina 
mononucleotídeo (FMN). NADH é oxidado em NAD+, e FMN é reduzido em 
FMNH2. 
2- FMNH2 transfere 2H para o outro lado da membrana e passa dois 
elétrons para Q, sendo oxidado para FMN. Q também captura 2H 
adicionais do meio aquoso circundante e os libera do outro lado da 
membrana. 
3- Elétrons são transferidos sucessivamente de Q para cit b, cit c1, cit c, 
cit a, e cit a3. Cada citocromo na cadeia é reduzido quando captura 
elétrons e é oxidado ao doar elétrons. O último citocromo, cit a3, 
transfere seus elétrons para o oxigênio molecular (O2), o qual se torna 
carregado negativamente e captura prótons do meio circundante para 
formar H2O. 
O fluxo de elétrons na cadeia é acompanhado em vários pontos pelo 
transporte ativo (bombeamento) de prótons para o lado oposto da 
membrana. O resultado é um acúmulo de prótons de um lado da membrana. 
A síntese de ATP utilizando a cadeia de transporte de elétrons é chamada 
de quimiosmose, e envolve fosforilação oxidativa: 
1- Quando os elétrons energéticos da NADH percorrem a cadeia de 
transporte de elétrons, alguns dos carreadores bombeiam prótons 
através da membrana - bombas de prótons. 
2- Como a membrana é impermeável a prótons forma-se um gradiente de 
concentração e de carga elétrica (lado com prótons fica mais positivo) 
- força próton-motiva. 
3- Os prótons somente podem difundir-se através da membrana através 
de canais de proteínas especiais que contêm a enzima ATP sintase. 
Quando esse fluxo ocorre, energia é liberada e utilizada pela enzima 
para sintetizar ATP a partir de ADP + fosfato inorgânico. 
 
Nos procariotos, cada molécula de glicose gera 38 moléculas de ATP: 
34 provenientes da quimiosmose, além de 4 geradas pelas oxidações 
na glicólise e no ciclo de Krebs. 
Glicólise: 2 NADH, 2 ATP = 8 ATP 
Acetil: 2 CO2; 2 NADH = 6 ATP 
Krebs: 4 CO2, 6 NADH, 2 FADH2, 2 ATP = 24 ATP 
Resultado: 38 ATP 
 
Anaerobia 
O aceptor final de elétrons é uma substância inorgânica diferente do O2. 
O aceptor pode ser carbonato, formando metano (CH4); pode ser o íon 
nitrato, reduzido no fim a nitrito, óxido nitroso ou gás nitrogênio; ou ainda 
sulfato para formar sulfeto de hidrogênio. Como só parte do ciclo de Krebs 
atua de forma anaeróbica e apenas alguns carreadores da cadeia de 
transporte participam da respiração anaeróbica, o rendimento não é tão 
alto como o da respiração aeróbica. 
 
Lipídeos e proteínas também podem atuar. A lipase quebra os lipídeos em 
glicerol (que forma Di-hidroxiacetona) e em ácidosgraxos (forma acetil-
CoA). As proteínas são convertidas enzimaticamente em outras 
substâncias para que possam entrar no ciclo. 
 
fermentação 
A fermentação libera a energia a partir de açúcares ou outras moléculas 
orgânicas, como aminoácidos, ácidos orgânicos, purinas e pirimidinas, 
além de utilizar uma molécula orgânica sintetizada na célula como aceptor 
final de elétrons. 
Os elétrons e prótons são transferidos das coenzimas reduzidas (NADH, 
NADPH) para o ácido pirúvico ou seus derivados. Na fermentação, ATP é 
gerado somente durante a glicólise, mas ela precisa acontecer para 
assegurar um suprimento estável de NAD e NADP. 
 
Fermentação do ácido lático 
Após a glicólise, as duas moléculas de ácido pirúvico são reduzidas por 
duas moléculas NADH, a fim de formar duas moléculas de ácido láctico, que 
é o produto final da reação, carregando maior parte da energia produzida 
na reação. Microrganismos produzem apenas ácido láctico, são 
denominados de homoláticos (ou homofermentativos). 
Fermentação alcóolica 
Após a glicólise, as duas moléculas de ácido pirúvico são convertidas em 
duas moléculas de acetaldeído e duas moléculas 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 inicial de glicose permanece no etanol, o produto final. 
1 NADH = 3 ATP 
1 FADH2 = 2 ATP 
Os organismos que produzem ácido láctico, bem como, outros ácidos ou 
álcoois, são conhecidos como heteroláticos (ou heterofermentativos). 
 
*Outros produtos produzidos: Ácido propiônico, ácido acético, ácido 
butírico, butanol, acetona, álcool isopropílico, etanol. 
 
fotossíntese 
É a conversão da energia luminosa do sol em energia química. A energia 
química é, então, utilizada para converter o CO2 da atmosfera em 
compostos de carbono mais reduzidos, principalmente açúcares. Pode ser 
resumida: 
1. Plantas, algas e cianobactérias utilizam a água como doador de 
hidrogênio, liberando O2: 
 6 CO2 + 12 H2O + Energia luminosa  C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 
2. Bactérias sulfurosas verdes e púrpuras utilizam o H2S como doador de 
hidrogênio, produzindo grânulos de enxofre: 
 6 CO2 + 12 H2S + Energia luminosa  C6H12O6 + 6 H2O + 12 S 
 
A fotossíntese acontece em duas etapas: 
1) Reações dependentes de luz: formação de ATP e NADPH 
2) Reações independentes de luz: elétrons são utilizados 
juntamente com a energia do ATP para reduzir CO2 em açúcar. 
Fotofosforilação 
A fotofosforilação é uma das três vias para produzir ATP, e ela somente 
ocorre em células fotossintéticas. A energia luminosa é absorvida pela 
clorofila, excitando elétrons. Os elétrons passam por uma série de 
carreadores, os prótons são bombeados pela membrana, e ADP é 
convertido em ATP por quimiosmose. 
Na fotofosforilação cíclica, os elétrons liberados da clorofila, pela luz, no 
fotossistema I, retornam à clorofila após passarem pela cadeia de 
transporte de elétrons. Na acíclica, os elétrons liberados da clorofila nos 
fotossistemas I e II não retornam à clorofila, sendo incorporados ao 
NADPH. Os elétrons perdidos da clorofila são substituídos por elétrons de 
H2O. 
 
Diversidade metabolica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Vias metabolicas de uso de energia 
Consideraremos como as células utilizam vias de ATP para a síntese de 
compostos orgânicos como carboidratos, lipídeos, proteínas e ácidos 
nucleicos. 
Biossíntese de polissacarídeos 
Os átomos de carbono produzidos na glicólise e no ciclo de Krebs são 
requeridos para sintetizar glicose, aminoácidos e lipídeos. A glicose e 
outros açúcares podem ser agregados pelas bactérias para formar 
polissacarídeos. Um exemplo é o glicogênio com fosforilação (gasto de 
ATP) e ligação da glicose. 
 
Biossíntese de lipídios 
As células sintetizam gordura pela ligação de glicerol a ácidos graxos. A 
porção glicerol da gordura é derivada da di-hidroxiacetona-fosfato, um 
intermediário formado durante a glicólise. Os ácidos graxos, que são 
hidrocarbonetos de cadeia longa (hidrogênio ligado a um carbono), são 
formados quando dois fragmentos de carbono da acetil-CoA são 
sucessivamente adicionados um ao outro. As unidades construtivas ded 
lipídios são ligadas por reações de desidratação e requer energia. 
 
Biossíntese de aminoácidos e proteínas 
Alguns microrganismos, como E. coli, contêm as enzimas necessárias para 
usar material inicial, como glicose e sais inorgânicos, e por isso podem 
sintetizar todos os aminoácidos direta ou indiretamente a partir de 
intermediários do metabolismo de carboidratos. Outros microrganismos 
requerem que o ambiente forneça alguns aminoácidos pré-formados. 
*Aminação: adição de um grupo amina ao ácido pirúvico ou a um ácido 
orgânico apropriado do ciclo de Krebs converte o ácido em um aminoácido. 
*Transaminação: o grupo amina é oriundo de um aminoácido preexistente. 
 
Biossíntese de purinas e pirimidinas 
Os açúcares de cinco carbonos dos nucleotídeos são derivados da via da 
pentose-fosfato ou da via de Entner-Doudoroff. Alguns aminoácidos – ácido 
aspártico, glicina e glutamina – feitos a partir de intermediários 
produzidos durante a glicólise e no ciclo de Krebs participam da 
biossíntese já que os átomos de carbono e nitrogênio derivados desses 
aminoácidos formam os anéis de purina e pirimidina. 
 
A integração do metabolismo 
As vias metabólicas que funcionam no anabolismo e no catabolismo são 
chamadas de vias anfibólicas, isto é, têm duas finalidades. Isso porque, as 
reações anabólicas e catabólicas estão unidas por um grupo de 
intermediários comuns. As vias anfibólicas ligam as reações que levam à 
quebra e à síntese de carboidratos, lipídeos, proteínas e ácidos nucleicos. 
Essas vias permitem que reações simultâneas ocorram, e o produto da 
quebra, formado em uma reação, é utilizado em outra reação para 
sintetizar um composto diferente e vice-versa