Metabolismo e diversidade de microrganismos

Metabolismo e
diversidade metabólica
dos microrganismos
Microbiologia FFI 0751
Profa. Nelma R. S. Bossolan
27/04/2016
Foto: bactéria púrpura fototrófica Chromatium okenii (Madigan et al., 2004)
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O QUE É METABOLISMO?
Conjunto de reações químicas que envolvem
a liberação de energia (catabólicas) e o
consumo de energia (anabólicas).
O QUE É ENERGIA?
Em microbiologia, interessa a energia livre (G):
energia liberada nas reações, disponível para
realização de trabalho (medida em kJ, quilojoule).
Metabolismo
Microrganismos
Grande diversidade de estratégias bioenergéticas
Podem utilizar como fonte de energia
Compostos orgânicos
(glicose, lactato, piruvato,
etc.)
Compostos inorgânicos
(H2S, H2, Fe2+, NH3)
Luz
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COMO A CÉLULA ARMAZENA
ENERGIA?
Sistema de armazenamento e transferência de energia (ATP)
Energia livre de hidrólise de
alguns dos principais ésteres e
anidros fosfatos.
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O papel do ATP no acoplamento das reações
anabólicas e catabólicas
Reserva de energia de longo prazo - Inclusões celulares
• Função de armazenamento de energia ou como reservatório
de constituintes estruturais.
• Polímeros de armazenamento de carbono
– Glicogênio (polímero de glicose)
– PHB (ácido poli-b-hidroxibutírico): natureza lipídica
Estrutura química do PHB.
Micrografia eletrônica de uma seção da célula de
Rhodovibrio sodomensis. (Fonte: Madigan et al., 2004)
Reserva de energia de longo prazo - Inclusões celulares
• Grânulos de enxofre
•
Grânulos de polifosfato (volutina): reserva de
fosfato inorgânico para ser usado na síntese
de ATP (tb encontrados em algas, fungos e
protozoários).
Grânulos de volutina em Pseudomonas
(http://microbioblogia.wordpress.com/p
olifosfatos/)
COMO A CÉLULA OBTÉM ENERGIA PARA
ARMAZENAR NA FORMA DE ATP?
Microrganismos
ao degradarem
Compostos químicos
orgânicos
“geram”
?
elétrons livres
que percorrem uma
Cadeia transportadora de ea partir da qual a energia é estocada na forma de
ATP
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Reações de oxidação-redução
Um elétron é transferido da molécula A para a molécula B.
No processo, a molécula A é oxidada e a molécula B é reduzida.
Reações de oxidação-redução
Exemplo de uma reação de oxidação-redução – a formação
da água.
E0 = - 0,42 V
Ocorrem
sempre aos
pares
E0 = + 0,82 V
Potencial de
redução
Torre redox
Tendência a
doar e-
Tendência a
receber e-
Reações de oxidação-redução
Exemplo de uma reação de oxidação-redução – a
formação da água.
Como é feito esta transferência
de e- nas células microbianas?
Aceptor de e- =
subst. reduzida
Doador de e- =
subst. oxidada
Reações de oxidação-redução
Por meio de carreadores de elétrons!
nicotinamida adenina dinucleotídeo
Livres e difusos – NAD+ e NAD-P+
Podem
estar
Unidos à membrana plasmática –
FMN, FAD, citocromos, proteínas de
Fe-S, quinonas (veremos depois!)
flavina mononucleotídeo
flavina adenina dinucleotídeo
Coenzima
Grupo
prostético
Carreadores de elétrons
NAD - NADP
NAD+ (nicotinamida adenina dinucleotídeo)
Participam de reações que geram
energia (catabólicas).
NAD-P+ = nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato
Participam de reações biossintéticas (anabólicas).
Ciclo NAD+/NADH
Carreadores de elétrons
FMN (flavina mononucleotídeo)
= flavina
Porção
Riboflavina
(vit. B2)
FAD (flavina adenina ribonucleotídeo)
Carreadores de elétrons
Citocromo
Carreadores de elétrons
Proteína de Fe-S
Arranjo dos centros de Fe-S em
proteínas Fe-S (não heme).
a) centro Fe2S2.
b) centro Fe4S4.
Carreadores de elétrons
Quinona
Quimiorganotrofia ou quimioheterotrofia
GERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DE
COMPOSTOS QUÍMICOS ORGÂNICOS
Processos de produção de energia nos
microrganismos a partir de composto orgânico
Processos de
produção de
energia
Respiração
aeróbica
Respiração
anaeróbica
Fermentação
Moléculas de ATP
Aceptor final de H
produzidas por
(e-)
molécula de glicose
Oxigênio
38 (procariotos)
molecular (O2)
Geralmente subst.
Variável (menor que
2inorg. (NO3 , SO4 ,
38 e maior que 2)
2CO3 )
Molécula orgânica
2
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Respiração aeróbica em
procariotos
1
1 - Glicólise (via Embden-Meyerhof):
oxidação da glicose.
2 – Ciclo do ácido cítrico (Ciclo de
Krebs).
2
3 – Cadeia transportadora de elétrons
(na membrana).
Equação geral:
C6H1206 + 6O2 + 38 ADP + 38 Pi
3
6CO2 + 6H2O + 38 ATP
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1 - GLICÓLISE
Sem O2
2 - CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO
3 – CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
Geração da força próton motiva pelo transporte de e- e
produção de ATP na respiração aeróbia.
Catabolismo de várias moléculas
orgânicas de alimentos.
Proteínas, carboidratos e lipídeos
podem ser fontes de elétrons e
prótons para a respiração.
Essas moléculas entram na glicólise
ou no ciclo do ácido cítrico (ciclo de
Krebs) em vários pontos.
Respiração anaeróbica
- tipo de metabolismo comum entre os
procariotos.
- aceptor de e- é geralmente uma substância
inorgânica: nitrato (NO3-), sulfato (SO42-),
carbonato (CO32-), ferro férrico (Fe3+).
-rendimento de ATP varia entre os microrganismos, e é
menor que na respiração aeróbica ( = crescimento
mais lento).
- sistema de transporte de e- análogo ao encontrado
em aeróbios convencionais.
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Principais forma de respiração
anaeróbias.
Os pares estão apresentados em
ordem, de E0’ mais eletronegativo (no
topo) para aqueles de E0’ mais
eletropositivo (base) (Madigan et al.,
2010).
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Exemplo – Redução de nitrato e denitrificação
Exemplo – Redução de nitrato e denitrificação
Expressão das enzimas
envolvidas é ativada pela
ausência de O2 e presença
de nitrato.
Nitrato, p.e., como
aceptor final de e-
Quimiolitotrofia ou quimioautotrofia
GERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DE
COMPOSTOS QUÍMICOS INORGÂNICOS
Quimiolitotrofia ou quimioautotrofia
- Utilizam compostos químicos inorgânicos (H2S, H2, Fe2+, NH3)
como doadores de e-, geralmente com o O2 como aceptor de
e -.
- CO2 como fonte de C.
- Exemplos: Beggiatoa (H2S), Acidithiobacillus ferrooxidans
(Fe2+), Nitrosomonas (NH3), Hydrogenomonas (H2).
- Doadores inorgânicos: natureza geológica (atividades vulcânicas –
H2S), antropogênica (atividades agrícolas e de mineração –
compostos de N e Fe)
Quimiolitotrofia – Oxidação do ferro ferroso (Fe2+)
Biolixiviação do Cobre: oxidação/redução de compostos de ferro e enxofre
com a consequente solubilização do cobre preso no minério.
Acidithiobacillus ferrooxidans.
http://www.hindawi.com/journals/jac/2013/424253/fig2/
Rio Tinto (Sevilha , Espanha). Este rio ácido (± pH 2,3) é
vermelho devido a altas concentrações de ferro férrico
dissolvido resultante da decomposição mineral mediada
por microrganismos. Mineiros descobriram que a
irrigação de minérios de cobre com esta água promovia
a lixiviação de cobre do minério.
http://www.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.micro.
56.012302.161052
Quimiolitotrofia – Oxidação do ferro ferroso (Fe2+)
Biolixiviação do Cobre
Quimiolitotrofia – Oxidação do ferro ferroso (Fe2+)
Fluxo de elétrons
durante a oxidação
do Fe2+ por
Acidithiobacillus
ferrooxidans.
Fototrofia
GERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DE
LUZ
Classes de organismos quanto às fontes de energia
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AULA PRÁTICA
Aula prática: Testes bioquímicos e atividade enzimática
- testes para classificar os microrganismos quanto às
suas capacidades de utilização de substratos como
fonte doadora de energia.
Alguns testes usuais:
- teste de oxidação/fermentação (O/F)
- teste de hidrólise de amido
- teste da catalase
-fermentação de fontes de carbono (glicose, ramnose,
citrato)
- tipos de ácidos produzidos na fermentação.
-produção de H2S (gás sulfídrico ou sulfeto de hidrogênio).
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Bibliografia
- Madigan et al., Microbiologia de Brock. São
Paulo:Prentice-Hall, 10ª ed., 2010. Capítulos 5 e 20.
-Tortora et al., Microbiologia. Porto Alegre: ArtMed,
edições de 2005 e 2012. Capítulo 5.
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