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FACULDADE VÉRTIX
CURSO AGRONOMIA
MICROBIOLOGIA DO SOLO
TEMA:
METABOLISMO MICROBIANO
PROFESSORA: MARIA LITA
Introdução
Metabolismo:
• grego:
•
metabole = mudança, transformação
Toda a atividade (reação) química realizada pelos organismos vivos
Dois tipos de atividades:
- Aquelas que envolvem a liberação de energia: CATABOLISMO
- Aquelas envolvidas na utilização da energia: ANABOLISMO
Muitos dos mecanismos metabólicos microbianos são também
utilizados pelos macro organismos.
Metabolismo Bacteriano
INTRODUÇÃO
METABOLISMO
Conjunto das reações bioquímicas que
ocorrem dentro da célula
Catabolismo
Anabolismo
BIODEGRADAÇÃO
BIOSSÍNTESE
Produção de energia
REQUERIMENTOS DE ENERGIA PELA CÉLULAR
MICROBIANA:
SÍNTESE DOS COMPONENTES
PAREDE, MEMBRANA, ETC.
CELULARES:
SÍNTESE DE ENZIMAS, ÁCIDOS NUCLÉICOS,
POLISSACARÍDEOS, ETC.
REPAROS E MANUTENÇÃO DA CÉLULA
CRESCIMENTO E MULTIPLICAÇÃO
ACUMULAÇÃO DE NUTRIENTES E EXCREÇÃO DE
PRODUTOS INDESEJÁVEIS
MOBILIDADE
2. Produção de Energia (E)
Requerimentos de energia:
FONTES DE ENERGIA
PARA A MAIORIA DOS MICRORGANISMOS
A ENERGIA É RETIRADA DE MOLÉCULAS
QUÍMICAS (NUTRIENTES)
PARA
OUTROS
A
PROVENIENTE DA LUZ.
ENERGIA
É
Energia celular
E Compostos
E Compostos
Inorgânicos
(Fe+2, NO2-, H2)
Orgânicos
(Glicose)
Fotossintetizantes
Litotróficos
Organotróficos
Biossíntese de
Macromoléculas
Montagem de
Estruturas
E luminosa
Divisão
Celular
Operar os mecanismos de transporte:
armazenamento de nutrientes e excreção de
produtos de escória;
Mobilidade: atividade do flagelo
OBTENÇÃO DE ENERGIA
A partir de:
compostos orgânicos
Energia
luz
compostos inorgânicos
Principais tipos nutricionais dos
microrganismos
2. Classes microbianas
Quimiotróficos
(utilizam substâncias químicas
como fonte de energia)
Quimiolitotróficos
C= CO2
Quimiorganotróficos
C=orgânico
Nitrosomonas europaea:
Amônia
nitrito + energia
Streptococcus lactis:
glicose
ácido lático + energia
Anabaena cylindrica (cianobactéria)
Luz
energia
COMPOSTOS QUE ARMAZENAM ENERGIA
Mais importante nos seres
vivos
Compostos ricos em energia: armazenamento e
transferência de energia (imediata)
ATP = adenosina trifosfato
ADP = adenosina difosfato
Fosfoenolpiruvato
Glicose-6-fosfato
Coenzimas: Acetil CoA, NAD, NADH, NADPH
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Enzimas
• Catalisadores das reações
• Aumentam as velocidades de reação de 108 a 1020 vezes
• Tem sítios ativos de ligação do substrato
• Podem conter outras moléculas acopladas
• Grupos prostéticos – grupo heme dos citocromos é um
exemplo
• Coenzimas – derivadas de vitaminas (NAD+/NADH)
• Terminação ase ao seu substrato
• Celulase: degradam celulose
• Glicose-oxidase: catalisa a oxidação da glicose
• Ribonuclease: decompõe acido ribonucleico
• Lisozima: cliva o peptideoglicano
Catalise e enzimas
Reação
exergônica
COMPLEXO ENZIMA-SUBSTRATO
Compostos ricos em energia: armazenamento e
transferência de energia (a longo prazo)
Procariotos:
– Glicogenio
– Poli-β-hidroxibutirato
– Poli-idroxialcanoatos
– S (elementar)
Eucariotos
– Poliglicose na forma de amido
– Lipídeos na forma de gorduras
Geração de ATP por
microrganismos
Fosforilação
em nível de substrato
Fosforilação oxidativa
Fotofosforilação
Fosforilação em nível de substrato →
processo no qual o grupo fosfato de um
composto químico é removido e adicionado
diretamente ao ADP;
Fosforilação oxidativa → processo no qual a
energia
liberada
pela
oxidação
de
compostos químicos é utilizada para a
síntese de ATP a partir de ADP;
Fotofosforilação → processo no qual a
energia da luz é utilizada para a síntese de
ATP a partir de ADP.
FOSFORILAÇÃO EM NÍVEL DE
SUBSTRATO
O grupo fosfato é adicionado a
algum intermediário tornandose de alta energia que pode ser
transferido ao ADP.
Reações OXI-RED internamente
balanceadas: alguns átomos do
substrato
tornam-se
mais
reduzidos, enquanto outros
mais oxidados
FOSFORILAÇÃO EM NÍVEL DE
SUBSTRATO
Fosforilação oxidativa
A energia liberada pela oxidação de compostos químicos é
utilizada na síntese de ATP
Oxidação: perda de elétrons (ou também perda de H)
H → H+ + e COOH-CH2-CH2-COOH → COOH-CH=CH-COOH + 2H
(ácido succínico)
A Fosforilação oxidativa envolve uma cadeia de transporte de
elétrons (série de reações integradas)
► energia liberada aos poucos e mais eficientemente (até 45
%)
Fosforilação oxidativa
QUIMIOSMOSE
mecanismo de síntese
de ATP, utilizando o
potencial
quimioelétrico da membrana
citoplasmática gerado
pela
cadeia
de
transporte de elétrons.
A síntese de ATP é
mediado pelo sistema
F1F0ATPase ou ATP
sintetase.
Na bactéria, a ATP
sintetase está localizada
na superfície interna da
membrana
citoplasmática.
Fosforilação oxidativa:
Todas as reações de oxidação liberam energia e
muitos organismos desenvolveram vias que
permitem a utilização desta energia para a
síntese do ATP.
A energia é liberada por uma série integrada de
reações de oxidação seqüenciais denominada
sistema de transporte de elétrons
A energia é armazenada temporariamente em
forma de força proto motiva
A força proto motiva fornece energia para
asíntese do ATP a partir do ADP
3.Fotofosforilação:
A energia da luz é utilizada para a síntese de ATP
O NADPH é utilizado para reduzir o CO2 no processo de fixação do CO2
Fotofosforilação
Organização do complexos protéicos na membrana
fotossintética de uma bactéria púrpura fototrófica. O
gradiente de prótons gerado pela luz é utilizado na
síntese de ATP, catalisada pela ATP sintase (ATPase).
Fotofosforilação
CL = clorofila
CR = centros de reação
Bph = bacteriofeofitina
Q = quinona
Fe-S = proteína Fe-S
bc1 = complexo citocromo bc1
C2 = citocromo c2
Organização do complexos protéicos na membrana fotossintética de uma bactéria púrpura fototrófica. O
gradiente de prótons gerado pela luz é utilizado na síntese de ATP, catalisada pela ATP sintase (ATPase).
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FOTOFOSFORILAÇÃO
Luz como fonte de energia
– Luz produz força proton-motiva
– Força proton-motiva promove síntese de ATP
Onde faz e quem faz:
– Cianobactérias, algas, plantas verdes
(fototróficos)
– Nos tilacóides no citoplasma ou nos
cloroplastos, devido a presença de clorofila
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Vias metabólicas
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.
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.
Exemplos de doadores de elétrons:
Amônia (NH4+) → Nitrito (NO2-) nas Nitrosomonas
Nitrito (NO2-) → Nitrato (NO32-) nas Nitrobacter
Sulfeto de hidrogênio (H2S) → Enxofre (So) em Thiobacillus,
Beggiatoa, Thiomargarita
Enxofre (So) → Sulfato (SO42-) em Thiobacillus
Hidrogênio (H2) → Água (H2O) em Alcaligenes
Thiomargarita namibiensis: uma bactéria gigante
Exemplos de receptores de elétrons
Oxigênio (O2) → água (H2O)
em diversos organismos
Dióxido de carbono (CO2) → Metano (CH4)
nas bactérias metanogênicas
4H2 + CO2 => CH4 + 2H2O
Delta G°= -31 kcal/mol
Vias metabólicas de produção de
energia
Vias catabólicas
- glicólise
regeneração do NAD+
(as células possuem uma quantidade limitada de NAD)
1. Fermentação:
O NAD é regenerado utilizando um aceptor produzido pela
própria célula
2. Respiração aeróbia
3. Respiração anaeróbia
Todas as vias também fornecem precursores para a biossíntese
GLICÓLISE
Degradação anaeróbica da glicose a ácido
pirúvico
por
uma
sequência
de
reações
catalizadas enzimaticamente.
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quantidade
limitada na
célula
Glicólise
Lactobacilos
Enterobactérias
Leveduras
Regeneração do NAD (Nicotinamida
Adenina Dinucleotídeo)
Através de 2 métodos
– Fermentação
– Respiração:
– aeróbica
– anaeróbica
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FERMENTAÇÃO
ANAERÓBIO
REALIZADO
POR BACTÉRIAS (FABRICAÇÃO
DE QUEIJO)
E FUNGOS (LEVEDURAS – PÃO E BEBIDAS
ALCOÓLICAS).
MOL. ORGÂNICAS – ATP
Açúcares
Glicólise
Escherichia
Salmonella
Etanol
Lactato
Succinato
CO2
Hidrogênio
Formato
Fermentação
mista
Enterobacter
Etanol
2,3-Butanodiol
Formato Lactato
Acetoína
CO2
Hidrogênio
Fermentação
mista
Lactobacillus
Streptococcus
Bacillus
Lactato
Fermentação
Lática
Saccharomyces
Propionibacterium
Clostridium
Etanol
CO2
Propionato
CO2
Acetato
Hidrogênio
Butirato
Butanol
Isopropanol
Acetona
CO2
Fermentação
Propiônica
Fermentação
Butírica
Fermentação
Alcoólica
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
Produtos da fermentação
Espécie microbiana
Principal produto da fermentação
Acetivibrio cellulolyticus
Ácido acético
Actinomyces bovis
Ácidos acético, fórmico, láctico, etc.
Clostridium acetobutylicum Acetona, butanol, etanol, ácido fórmico, etc.
Enterobacter aerogenes
Etanol, ácido fórmico, CO2, etc.
Escherichia coli
Etanol, ácidos láctico, acético, fórmico, succínico, etc.
Lactobacillus brevis
Etanol, glicerol, CO2, ácidos láctico, acético, etc.
Streptococcus lactis
Ácido láctico
Succinimonas amylolytica
Ácidos acético e succínico
Vias catabólicas
regeneração do NAD+
1. Fermentação
2. Respiração aeróbia:
- O aceptor final de elétrons é o oxigênio
- Resulta também na geração da força protomotiva e
produção de mais ATP
----- utilização da energia armazenada na matéria orgânica
3. Respiração anaeróbia
O ciclo de Krebs
(ciclo do ácido cítrico)
A degradação da glicose por
organismos
aeróbios
normalmente não para com a
produção do ácido pírúvico.
Cada molécula de NADH
pode doar elétrons para o
sistema de transporte
para geração da força
protomotiva e produção
de ATP.
Exemplos da respiração aeróbia
Síntese da Respiração aeróbia
Reações de oxidação e redução em presença de um
aceptor de elétrons externo
A molécula inteira do substrato é oxidada alto
potencial de energia grande quantidade de ATP é
gerada: 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
Reações
de oxidação e redução em
presença de um aceptor de elétrons
externo toda a molécula do substrato é
oxidada alto potencial de energia grande
quantidade de ATP é gerada
Respiração anaeróbia
Aceptor
final de elétrons diferente do O2
Oxidação de substratos orgânicos ou
inorgânicos:
C6H12O6 + 12 NO3 - → 6CO2 + 6H2O +
12NO2 - 2 lactato + SO4 = + 4H+ → 2
acetato + 2CO2 + S= + H2O
A
respiração
anaeróbia,
exclusividade
dos
procariotos, só ocorre em ambientes onde o oxigênio
é escasso, como nos sedimentos ou próximo de
nascentes hidrotermais submarinas.
Aceptor final de elétrons diferente do O2
Exemplos:
+ 12 NO3- → 6CO2 + 6H2O + 12NO22 lactato + SO4= + 4H+ → 2CO2 + S= + H2O +
2 acetato
C6H12O6
3. Respiração anaeróbia
aceptor final de elétrons diferente do O2
– C6H12O6 + 12 NO3- → 6CO2 + 6H2O +
12NO2– 2 lactato + SO4= + 4H+ → 2 acetato +
2CO2 + S= + H2O
Nenhum desses aceptores são
eletro positivos quanto o O2/H2O.
Assim, menos energia é liberada.
Em contrapartida, o uso desses
aceptores alternativos permitem os
microrganismos respirarem na
ausência de O2, com grande
importância ecológica.
OBRIGADA…