Aula 4 - Metabolismo e controle do crescimento microbiano

Prévia do material em texto

Disciplina: Microbiologia e Imunologia
Aula 4: Metabolismo e controle do crescimento
microbiano
Apresentação
Todo ser vivo depende de reações bioquímicas complexas para se desenvolver.
 
Nesta aula, você reconhecerá que muitas reações de síntese e produção de moléculas de ATP encontradas em células
procarióticas estão adaptadas a micro-organismos eucarióticos e organismos pluricelulares.
 
Por isso, conhecer os fatores e as condições de crescimento auxilia no cultivo de células no laboratório e no conhecimento
das nossas próprias células. A biotecnologia pode ser considerada a aplicação direta desses conhecimentos.
Objetivos
De�nir reações catabólicas e anabólicas nos micro-organismos;
Reconhecer as vias para obtenção de energia em bactérias;
Classi�car as condições para o crescimento de micro-organismos.
Metabolismo: quebras e sínteses
Todo organismo precisa colocar em ação um número x de reações para se manter vivo. São reações para retirar energia de algum
nutriente, repor algum componente consumido e estocar algum composto energético. São muitas - e todas elas, importantes.
Não existe desperdício nos sistemas biológicos. Por isso, muitas dessas reações estão conectadas com outras vias de reação
para fornecer mais de uma ação para a célula. O conjunto dessas reações é denominado metabolismo. Uma reação que gera a
quebra de uma molécula maior, como, por exemplo, um polissacarídeo, automaticamente vai estar acoplada com uma reação de
construção de alguma estrutura.
Em bioquímica, há as reações de:
1
Quebra
Catabólicas ou degradativas .1
2
Síntese
Anabólicas ou biossintéticas.
O metabolismo ideal existe quando as reações de quebra estão em equilíbrio com as
reações anabólicas.
Nas reações que envolvem a quebra de ligações químicas, ocorre a liberação da
energia.
Mas como ela pode ser consumida pela célula?
Se uma ligação química é rompida, essa energia condicionada não sai simplesmente como um gás. Uma possibilidade seria
transferir a energia para uma reação de síntese, correto? Para isso, é preciso que exista um elo entre essas duas condições. A
resposta está na molécula de ATP: trifosfato de adenosina.
https://stecine.azureedge.net/webaula/estacio/go0070/aula4.html
Síntese e clivagem da molécula de ATP. | Fonte: Shutterstock
 Fonte: Shutterstock
Molécula de ATP: trifosfato de adenosina
No metabolismo energético da célula, a molécula de ATP libera o último fosfato inorgânico, transformando-se em ADP e Pi, o
fosfato inorgânico. Não existe estoque de ATP porque o processo é extremamente dinâmico: a todo momento, uma molécula de
ADP está se ligando a um Pi para reter (ou quebrar) uma ligação altamente energética.
Dica
Lembre-se das reações que precisam de uma entrada de energia: as endergônicas. São elas que utilizam o ATP, rompendo essa
última ligação covalente para fornecer a energia de ligação para a síntese de alguma molécula.
O ATP pode ser formado de duas maneiras:
1. Fosfato é retirado de um substrato e se liga a um ADP : processo conhecido como fosforilação em nível de substrato;
2. Com o auxílio de uma enzima ATPase : cujo rendimento de moléculas de ATP é bem superior.2
Glicólise
A melhor forma de compreender o conceito de catabolismo é explorar uma de suas principais vias metabólicas: a glicólise 3
A glicólise é o carboidrato que a maioria dos micro-organismos utiliza como fonte
primária para obtenção de energia – em seguida, vêm os lipídeos e as proteínas.
Para produzir energia, os micro-organismos utilizam dois processos:
1. Fermentação;
2. Respiração celular (ou, simplesmente, respiração).
Ambos começam a partir do mesmo ponto: glicólise. Trata-se de uma via metabólica com várias reações que transformam um
carboidrato de seis carbonos em duas moléculas de três carbonos, o ácido pirúvico. Nas onze reações que levam à formação de
ácido pirúvico, são produzidas duas moléculas de:
1.  ATP (através de fosforilações em nível de substratos);
2. NADH.
A glicólise consiste de dois passos básicos:
Clique nos botões para ver as informações.
Duas moléculas de ATP são utilizadas para que a glicose se reestruture e se transforme em gliceraldeído 3-fosfato (GP) e
diidroxiacetona-fosfato (DHAP). A DHAP é convertida em gliceraldeído 3-fosfato. São as etapas 1 a 5.
Fase preparatória 
Há a oxidação dessas moléculas em duas moléculas de ácido pirúvico com ganho �nal de duas moléculas de ATP.
Fase de recuperação de energia 
https://stecine.azureedge.net/webaula/estacio/go0070/aula4.html
https://stecine.azureedge.net/webaula/estacio/go0070/aula4.html
 Visão geral das reações da glicólise. | Fonte: Shutterstok
Se o micro-organismo é aeróbio, o ácido pirúvico será guiado para reações que transferem
elétrons até o oxigênio. Se o micro-organismo é anaeróbio, no lugar do oxigênio entra outra
molécula, como, por exemplo, o íon nitrato (NO ) no gênero Pseudomonas .3- 4
Ciclo de Krebs
A etapa seguinte à da glicólise é o ciclo do ácido cítrico ou ciclo de Krebs. Nele, o ácido pirúvico reage com a coenzima A (CoA),
perdendo 1C e formando acetil-CoA. O oxaloacetato, um composto renovável do ciclo de Krebs, reage com o acetil-CoA, formando
o ácido cítrico e liberando a coenzima A, que será utilizada novamente. São 10 reações que recuperam ao �nal o oxaloacetato,
gerando, a cada entrada de molécula de ácido cítrico, a liberação de:
https://stecine.azureedge.net/webaula/estacio/go0070/aula4.html
1
Quatro moléculas de CO2 para o ambiente.
2
Seis moléculas de NADH.
3
Duas moléculas de FADH2.
4
Duas moléculas de ATP (geradas em nível de substrato).
O ciclo de Krebs, na verdade, é uma encruzilhada metabólica que gera produtos utilizados
pela bactéria para os mais variados �ns. E uma das funções mais importante dessa etapa é
a saída das coenzimas reduzidas NADH e FADH para entregar esses elétrons a um sistema
de moléculas carreadoras.
2
Veja a sequência das reações do ciclo de Krebs na �gura a seguir e con�rme se o mais importante é mesmo a geração de energia
pelo ATP. Parece que não. Há dez reações e produção de duas moléculas de ATP.
 Visão geral do ciclo do ácido cítrico ou ciclo de Krebs. | Fonte:
Shutterstock
Na �gura, repare que as enzimas desidrogenases trabalham com as
coenzimas NAD+ e FAD+, tornando-as reduzidas. As moléculas
carreadoras de elétrons podem até ser diferentes entre os procariotos,
mas ao �nal sempre vai existir uma enzima ATPase.
Como já foi comentado neste curso, a ATPase é um dos ganhos evolutivos mais conservados entre os seres vivos: tamanha é a
sua importância que nós e as bactérias aeróbias compartilhamos o mesmo processo em relação a ela. Quando os H alcançam
essa enzima, ela torna-se ativada, fazendo a ligação entre ADP e Pi. É a fosforilação oxidativa, pois a formação de ATP está
acoplada às reações de oxidação. A con�guração dessa enzima é tão especial que permite que os H passem pelo seu interior,
mudando a sua con�guração inativa para ativa. São produzidas 38 moléculas de ATP por hexose.
+
+
Micro-organismos anaeróbios
Não existem todas as reações do ciclo de Krebs porque eles não possuem todos os aceptores dos aeróbios. Isso faz com que
esses micro-organismos produzam menos energia, o que explica seu crescimento ser mais lento que o dos aeróbios.
Organismos fermentadores
Não há o ciclo de Krebs nem a cadeia de transporte de elétrons. Grande parte da energia �ca na estrutura da molécula �nal (álcool
ou lactato), gerando somente uma ou duas moléculas de ATP.
 
Fermentação lática
Os gêneros Streptococcus e Lactobacillus realizam a fermentação lática, utilizando NADH para reduzir duas moléculas de
ácido pirúvico a duas de ácido lático. Como só produzem ácido lático, eles são denominados homoláticos. São esses micro-
organismos que deterioram os alimentos, mas eles também geram o iogurte a partir do leite e outros alimentos
comercializados pela indústria alimentícia.
Fermentação alcoólica
Já a produz duas moléculas de acetaldeído e duas de CO2 do ácido pirúvico. O acetaldeído vai dar origem aoetanol. Dois
exemplos: a levedura Saccharomyces cervisae, que serve para a produção de álcool e bebidas, e o CO2, para o crescimento
do pão. Segundo bons padeiros italianos, a lievitazione (fermentação do pão) deve levar no mínimo oito horas. Repare como
a massa dobra de tamanho, �cando bem fofa e volumosa. A fermentação, há muito tempo, é estudada e controlada.
Exemplos: seleção de uvas, tempo de fermentação  dos vinhos e extrato de malte para as cervejas.5
https://stecine.azureedge.net/webaula/estacio/go0070/aula4.html
 Fonte: Shutterstock
Características dos Micro-organismos
Micro-organismos são classi�cados de acordo com:
1) Fonte de energia:
1
Fototró�cos
Fonte primária de energia é a luz.
2
Quimiotró�cos
Utilizam compostos orgânicos e inorgânicos que serão
reduzidos.
 
2) Fonte de carbono:
Clique nos botões para ver as informações.
Termo signi�ca alimentação própria. São todos aqueles que utilizam CO .
Autotró�cos 
2
Dependem de outros seres para obter carbono.
São todos os animais, a maioria dos fungos, os protozoários e as bactérias.
A maioria é patogênica para o homem.
Heterotró�cos ou organotró�cos 
A combinação dessas duas classi�cações (fonte de energia e fonte de carbono) dá origem a quatro seres vivos:
Fotoautotró�cos
Fotoheterotró�cos
Quimioautotró�cos
Quimioheterotró�cos
3) Temperatura
Fator determinante para o crescimento de micro-organismos, e todos possuem uma temperatura mínima, ótima e máxima.
Temperatura mínima que funciona como barreira: abaixo dela, não é possível ele se dividir. Já a temperatura máxima acabaria
desnaturando suas proteínas, levando o micro-organismo à morte.
 
 Fonte: Shutterstock.

HÁ EXCEÇÕES
Existem micro-organismos adaptados para viver em ambientes que a maioria dos seres vivos não suportaria. São os micro-
organismos extremó�los. Eles vivem, por exemplo, em zonas vulcânicas ou hidrotermais marinhas do planeta.
Vamos conhece-los?
 
 
Vamos ver a classi�cação dos micro-organismo de acordo com a taxa de PH?
Temperaturas baixas
Psicró�los : crescem a 4 °C ;
Psicrotolerantes: podem crescer em temperaturas de 0 °C.
6
Comentário
Ambos podem crescer em ambientes refrigerados sendo responsáveis pela deterioração da carne, frango e peixe.
Temperaturas mais elevadas
Mesó�los: crescem entre 25 e 40 °C . Estão os microrganismos mais comuns;
Termó�los: são os que habitam o solo e águas termais com temperatura ótima entre 50 e 60 °C.
Termó�los extremos, ou hipertermó�los: temperatura ainda mais elevada, próxima a 80ºC, como as
arquibactérias. Habitam as águas quentes ricas em enxofre perto do vulcão.
7
 Parque Nacional de Yellowstone | Fonte: Wikipedia
<https://pt.wikipedia.org/wiki/Parque_Nacional_de_Yellowstone>
Isolada de um gêiser no parque nacional Yellowstone, nos
Estados Unidos, a bactéria Thermus aquaticus revolucionou a
biotecnologia, fornecendo a enzima polimerase, que não
desnatura nas etapas da técnica chamada de reação em
cadeia da polimerase (PCR).
4) PH
O pH é uma escala logarítmica da concentração de H+ livres. Seu excesso interfere na estrutura das proteínas, desnaturando-as
. Por isso, ele é um fator químico importante de ser observado nos meios de cultivo para células eucarióticas e procarióticas.8
A maioria dos micro-organismos cresce em ambientes numa faixa de pH que varia
entre 6,5 e 7,5.
https://stecine.azureedge.net/webaula/estacio/go0070/aula4.html
https://stecine.azureedge.net/webaula/estacio/go0070/aula4.html
https://pt.wikipedia.org/wiki/Parque_Nacional_de_Yellowstone
https://stecine.azureedge.net/webaula/estacio/go0070/aula4.html
Clique nos botões para ver as informações.
Crescem em de pH abaixo de 6. Fungos são mais tolerantes que as bactérias.
Acidó�los 
São conhecidos pela resistência a ambientes extremos para a maioria dos micro-organismos. aparecem em vários gêneros
Archaea.
Acidó�los obrigatórios 
Localizados localizados em regiões de vulcões ácidos e mantém seu pH intracelular em 4,5. Temos como exemplo o
Picrophilus oshimae.
Acidó�los extremos 
Mantem a faixa de pH entre 6 e 8;
Neutró�los 
A indústria utiliza as lipases e proteases produzidas por eles para sabão em pó. Já deve estar reconhecendo na prateleira do
supermercado aquela marca pioneira nesse uso, não é?
Alcalinó�los 
Outras formas de crescimento
- Sal
Haló�los são micro-organismos que crescem bem na água do mar, rica em cloreto de sódio. Eles dividem-se em:
Haló�los moderados (concentração de NaCl varia entre 7 a 15%);
Haló�los discretos (1 a 6 % de NaCl);
Haló�los extremos (concentração de 15 a 30%);
Atenção
Existem também os halotolerantes, micro-organismos que podem viver com certa redução de moléculas de água.
- Açúcar
Micro-organismos que vivem em ambientes ricos em açúcar são chamados de osmó�los.
- Ambiente seco
Organismos xeró�los são aqueles que vivem em ambientes extremamente secos por falta de água.
- Oxigênio
Já sabemos que alguns utilizam o oxigênio como aceptor �nal na respiração celular para a produção de ATP, enquanto outros
micro-organismos preferem outro tipo de aceptor �nal.
Na realidade, esta classi�cação (utilizar ou não o oxigênio) seria muito simples frente à enorme diversidade de organismos no
nosso planeta. Por isso mesmo, existe uma escala de utilização de oxigênio que divide os micro-organismos em:
 
Microaeró�lo (sobrevive com pouco oxigênio);
Aeróbio facultativo (fermenta sem oxigênio. Exemplos: Escherichia coli e leveduras);
Tolerante.
Atenção
Os micro-organismos chamados de aeróbios crescem em ambiente com grande tensão de oxigênio, algo em torno de 21%. No
entanto, como o oxigênio é pouco solúvel, alguns micro-organismos se adaptaram para fazer a fermentação quando o oxigênio
não estiver disponível. Por outro lado, os anaeróbios obrigatórios não crescem se o oxigênio estiver presente, pois ele é
considerado toxico. É o caso dos gêneros Clostridium e Botulinum, formadores de endósporos.
A capacidade de sobreviver na presença de oxigênio depende da presença de algumas enzimas que processam os radicais
superóxidos (O2-) ou ânions superóxidos do metabolismo do oxigênio. Do ponto de vista evolutivo, a presença das enzimas
superóxido dismutase e catalase garantiu a sobrevivência de todos os seres vivos aeróbios no nosso planeta. Veja as reações a
seguir:
Repare que o oxigênio molecular reage com elétrons, produzindo o ânion superóxido (O ). A presença do elétron não pareado é
tóxico porque ele é capaz de interagir com elétrons de outro elemento químico, alterando proteínas e outros alvos celulares.
Assim, a ação da enzima superóxido dismutase devolve o oxigênio molecular, embora também produza o peróxido de hidrogênio.
Além disso, a enzima catalase transforma H O em produtos que serão aproveitados pela bactéria.
-
2
2 2
Exemplo
O teste da catalase é um teste bioquímico muito comum no laboratório de bacteriologia. Mesmo sem conhecê-lo, você já deve ter
observado surgirem bolhas na pele com feridas ao aplicarmos água oxigenada no local. Essas bolhas são do oxigênio liberado
pela ação da catalase.
Portanto, micro-organismos anaeróbios obrigatórios não possuem esse sistema
detox, enquanto anaeróbios aerotolerantes possuem a enzima superóxido dismutase.
 Fonte: Shutterstock
Macronutrientes para o crescimento dos micro-organismos
Para crescer os microrganismos necessitam em primeiro lugar de quantidades de água e macronutrientes.
O carbono é considerado um dos macronutrientes mais importante. Sendo utilizado para a
síntese de proteínas, açúcares e lipídeos.
Além do carbono, os micro-organismos utilizam o nitrogênio para a síntese de DNA e RNA, aminoácidos e todos os nucleotídeos,
ATP, GTP, UTP e CTP. Esse macronutriente é recuperado da atmosfera pelos microrganismos presentes no solo, os chamados
�xadores de nitrogênio associados a raízes de plantas.
O fósforo também é necessário para a síntese de ácidos nucléicos, bases nitrogenadas e nucleosídeos. E o enxofre é utilizado
para os aminoácidos cisteína e metionina.
Outrasexigências para o crescimento são os elementos traço como ferro, zinco, manganês, magnésio, cobalto, cloro, sódio e
cobre que atuam como coenzimas e cofatores igualmente em todos os seres vivos e são necessários em baixa concentração.
Os micronutrientes são fatores de crescimento pois são importantes para a composição de várias proteínas, estruturas celulares
entre outras funções celulares. A exigência desses fatores varia muito, e em alguns microrganismos, como os Lactobacillus, as
concentrações são até maiores que em humanos.
A partir de agora estudaremos as fases de crescimento em uma população de
bactérias, veri�cando todas as condições necessárias para uma bactéria crescer.
 Fonte: Shutterstock
Crescimento e controle de bactérias
No laboratório, quando um inóculo microbiano for semeado em um meio de cultura especí�co, ocorrerá inicialmente um período
de adaptação.
 Em seguida, a população irá realizar múltiplas divisões até a redução dos nutrientes tornar impossível seu crescimento, levando-a
à morte. Essas etapas ou fases de crescimento microbiano são divididas em:
Clique nos botões para ver as informações.
A primeira fase é de adaptação. As células quase não se dividem, ativando vários genes necessários para metabolizar os
constituintes adquiridos do meio ou para a síntese de novos compostos.
Esta fase de latência pode durar horas ou até mesmo dias dependendo de:
Número de células viáveis no inóculo;
Meio de cultura;
Própria espécie microbiana.
Lag 
Quando ocorrem as divisões celulares com o tempo de geração constante. O tempo de geração é o período necessário para
uma célula se duplicar.
Como os nutrientes estão em excesso nesta fase, as células se dividem bastante de acordo com seu(s):
 
Metabolismo;
Meio de cultura;
Outros fatores (temperatura, pH e água).
Log (ou exponencial) 
Fase também caracterizada pelo crescimento microbiano, embora, ao mesmo tempo, se observe um aumento no número de
células mortas. O esgotamento de nutrientes do meio de cultivo leva ao acúmulo de resíduos. Por isso, o pH do meio torna-
se ácido, causando danos para as células.
Estacionária 
Se for crescente, a situação descrita no item acima leva à morte da população de bactérias quando todos os recursos forem
consumidos.
Declínio 
Observe o grá�co a seguir:
Perceba no grá�co da fugira, o aumento dos valores de densidade ótica à direita. De um valor aproximado de 0,13 de turbidez, a
fase exponencial eleva o valor em seis vezes. A medida da turbidez é um recurso laboratorial de fácil veri�cação do crescimento
de bactérias em meio líquido. Ao crescerem, as bactérias tornam os frascos mais turvos; com isso, a luz atravessa com menos
intensidade do que antes, fornecendo os valores de densidade ótica. A curva de crescimento só poderá ser observada em
experiência se não houver nenhuma interferência. Exemplos: repor os nutrientes consumidos ou acertar o pH do meio de cultura.
 Curva de crescimento típica de uma população de bactérias. | Fonte: (MADIGAN et al., 2016)
Diante de tantos micro-organismos presentes no ambiente, é muito importante controlar o crescimento deles utilizando agentes
físicos e químicos. Eles podem atuar eliminando totalmente a população microbiana ou impedindo o seu crescimento.
Exemplo
Para controle de populações microbianas há algumas ações que podemos utilizar. Como por exemplo:
Controle físico: como: uso de chama em objetos contaminados, calor seco e úmido, radiações gama e ultravioleta e �ltração.
Controle químico: álcool, fenóis, detergentes e agentes oxidantes.
Nesta aula, você aprendeu sobre os tipos de metabolismo dos principais grupos microbianos. A importância desse conhecimento
reside em sua aplicação em vários processos industriais, como a biotecnologia.
Atividade
1. Com relação ao metabolismo de seres vivos, assinale a opção que represente, respectivamente, a síntese de moléculas
complexas a partir de formas mais simples e a construção das moléculas complexas:
a)  Anabolismo e catabolismo.
b) Metabolismo aeróbio e anaeróbio.
c) Fase log e declínio.
d) Catabolismo e anabolismo.
e) Fase lag e log.
2. Micro-organismos aeróbios toleram a presença de oxigênio porque possuem uma enzima chamada:
a) ATPase
b) NADH
c) Oxigenase
d) Superóxido dismutase.
e) Cadeia transportadora de elétrons.
3. Em relação às condições de temperatura para crescimento, as temperaturas elevadas normalmente levam a (à):
a) Taxas de crescimento mais elevado.
c) Um estado de equilíbrio.
d) Morte da bactéria.
d) Morte da bactéria.
e) Situações específicas dependendo da espécie.
Notas
degradativas 1
Nas reações degradativas, muitas vezes são utilizadas moléculas de água para quebrar essas ligações. Trata-se da chamada
hidrólise.
ATPase2
No processo com a ATPase, algumas enzimas desidrogenases especí�cas retiram prótons e elétrons, transferindo-os para
coenzimas do tipo NAD ou FAD . Elas os encaminham para uma série de aceptores numa cadeia de transporte de elétrons até o
oxigênio ou outro tipo de aceptor �nal. A cada H transportado, a enzima ATPase presente na membrana citoplasmática é ativada,
promovendo a ligação entre ADP e o fosfato inorgânico (Pi).
+ +
+
glicólise3
A glicólise é chamada também de Embden-Meyerhoff em homenagem aos pesquisadores Gustav Embden e Otto Meyerhoff, mas
um dos primeiros a estudá-la foi Pasteur, em 1860, com a fermentação de leveduras.
Pseudomonas4
Essas bactérias reduzem o nitrato a nitrito (NO ), oxido nitroso (N O) ou gás CO .2- 2 2
fermentação dos vinhos5
Provavelmente, você deve lembrar que, na primeira aula, Louis Pasteur de�niu o chamado Efeito Pasteur. Ele viu que o número de
micro-organismos presentes nas uvas amassadas aumentou logo no início desse processo, mas, com a redução da
concentração de oxigênio, eles começavam a produzir etanol. Ele associou o fermento à concentração de oxigênio: quanto mais
oxigênio, menos etanol. É o que hoje se faz nos tonéis de vinho, não permitindo a entrada de oxigênio para não reduzir a
fermentação. Somos grandes produtores de álcool a partir do açúcar da cana pelo controle do mesmo processo.
psicró�los6
Recentemente, um grupo de pesquisadores da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) identi�cou a bactéria psicró�la
Deinococcus sp. Ela é capaz de resistir a radiações. Cientistas acreditam que isso pode ser útil na indústria de cosméticos e na
busca por novos medicamentos.
25 e 40 °C7
Para as bactérias patogênicas a temperatura ótima de crescimento é 37 °C, igual ou próxima a dos animais que colonizam.
desnaturando-as8
Por essa razão também que a maioria dos alimentos ácidos são protegidos da deterioração por microrganismos.
Referências
TORTORA, G. J.; FUNKE, B. R.; CASE, C. L.Microbiologia. Porto Alegre: Artmed, 2010.
MADIGAN, M. T.; MARTINKO, J. M.; BENDER, K. S.; B., D. H.; STAHL, D. A. Microbiologia de Brock. Porto Alegre: Artmed, 2016.
Próxima aula
Tipos de metabolismo microbiano;
Condições para crescimento de populações de bactérias.
Explore mais
Sugestões de vídeo:
Bactérias que degradam petróleo <https://www.youtube.com/watch?v=kqx0zdmvbSA> .
Bactérias que comem plástico <https://www.ted.com/talks/two_young_scientists_break_down_plastics_with_bacteria#t-160867> .
https://www.youtube.com/watch?v=kqx0zdmvbSA
https://www.ted.com/talks/two_young_scientists_break_down_plastics_with_bacteria#t-160867