T4eT5-MetabolismoMicrobiano

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(1)22/08/2011. METABOLISMO MICROBIANAO. METABOLISMO MICROBIANAO.  Definição  é a soma de todas as reações químicas dentro de um organismo vivo.. Prof. Paulo Henrique Grazziotti Microbiologia do Solo.  Reações ç q químicas  requerem q ou liberam energia g. 1. Reações Catabólicas e Anabólicas. O ATP e as Reações de Oxidação-Redução Calor liberado. Reações catabólicas, liberam energia.  Catabolismo  é a quebra de compostos orgânicos complexos em compostos mais simples. Glicose, aminoácidos, glicerol e ác. graxos ATP.  Reações catabólicas ou degradativas  de hidrólise e liberam energia Reações anabólicas, anabólicas requerem energia. ADP + P. Amido, proteínas e lipídeos. Calor liberado. Ex.: glicose em CO2 e H2O  Anabolismo  é a construção de moléculas orgânicos complexos a partir de moléculas mais simples  Reações anabólicas ou biossintéticas  de desidratação e requerem energia Ex.: formação de proteínas a partir de nucleotídeos e polissacarídeos. Enzimas. 2. Enzimas  Reações químicas necessitam de energia de ativação  Enzimas  são proteínas que abaixam a energia de ativação sem elevar a temperatura ou pressão da célula. Componentes Substrato Substrato.  são catalisadores específicos. Sítio ativo Sítio ativo. 2.1. Componentes das Enzimas. Coenzima.  Apoenzima  porção protéica da enzima. Coenzima. ç não p g porção protéica: íon metálico ou molécula orgânica  Cofator  p (Coenzima) Ex. de Coenzimas:  NAD+ – nicotinamida adenina dinucleotídeo - Catabolismo  NADP+ – nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato – Anabolismo  FMN – flavina mononucleotídeo. Sítio alostérico Apoenzima (porção protéica). + Cofator (porção não-protéica: íon metálico ou molécula orgânica). Holoenzima (enzima completa).  FAD – flavina adenina nucleotídeo  CoA – coenzima A  Holoenzima  apoenzima e cofator juntos. 1.

(2) 22/08/2011. Fatores que Afetam a Atividade Enzimática. 2.2. Fatores que Influenciam a Atividade Enzimática  Temperatura  aumenta a atividade até a desnaturação. Atividade. desnaturação.. Atividade.  pH H  ótimo óti próximo ó i de d 5,0. 5 0 Trocas T extremas t . Atividade. da enzima. 0.  Concentração do substrato  > concentração >. 2. Temperatura. 4. 6. 8. 10. pH. Conc. do substrato. atividade até a saturação. Inibidores.  Inibidores  cianeto, arsênico, mercúrio, etc.. Substrato Sítio ativo.  Inibidores competitivos  competem com o substrato. Sítio ativo alterado. Inibidor competitivo. Inibidor não competitivo. Enzima. pelo sítio ativo. Ex.: Sufonilamida x ác. para-. Sítio alostérico. aminobenzóico (PABA) NH2.  Inibidores não-competitivos- Inibição alostérica  se. O. O HO. S O. ligam ao sítio alostérico alterando sítio ativo. NH2. Ex.: cianeto e fluoreto. Sulfonilamida. NH2 PABA. Inibidor competitivo.  Inibição por Retroalimantação  o produto final de uma via metabólica (anabólica) é o inibidor alostérico da enzima responsável pela primeira reação  regula a produção de a.a., vitaminas, purinas e irimidinas. 2.

(3) 22/08/2011. Substrato Via funcional. 3. Produção de Energia. Inibição por Retroalimentação. Via não funcional. Enzima 1 Sítio Intermediário A alostérico. 3.1. Reações de Oxi-Redução  Oxidação  é a remoção de elétrons (e-) de uma molécula (produz. Ligação do produto final. Enzima 2. Inibição. energia). Intermediário B Enzima 3.  Redução  é o ganho de um ou mais elétrons  Desidrogenação  elétrons e prótons (átomo de H) são removidos. Produto final. Reações de Oxidação-Redução. O NAD e as Reações de Oxidação-Redução. Redução Átomos de H. Redução. A. B. A oxidada. H+. e-. (próton). H +. B reduzida Mólecula orgânica. Oxidação. Coenzima NAD+. M.O. oxidada. NADH + H+. (transportador de elétron reduzido). Oxidação. 3.2. Geração de ATP  ATP  possui ligações instáveis, energia é liberada rápida e facilmente Adenosina – P ~ P (ADP) + energia  Adenosina – P ~ P ~ P (ATP)  Fosforilação  adição de P a um composto químico ç em Nível de Substrato  ATP é g gerado q quando u P é  Fosforilação. . 4. Vias Metabólicas de Produção de Energia  Controla a liberação de energia das moléculas orgânicas e amarzena-la na forma química 4.1. Metabolismo dos Carboidratos  A maioria oxida i i dos d microrganismos i i id carboidratos b id t como. transferido substrato para o ADP C – C – C ~ P + ADP  C – C – C + ATP  Fosforilação Oxidativa  ATP produzido na cadeia transportadora de elétrons  Fotofosforilação  ATP produzido pela conservação de energia. sua fonte primária de energia  Glicose, lipídeos e proteínas  Produção de energia a partir da glicose  Respiração e Fermentação. luminosa a energia química. 3.

(4) 22/08/2011. RESPIRAÇÃO. FERMENTAÇÃO. Glicólise. 1. 4.1.1. Respiração Aeróbica. Glicose NADH. ATP. Ác. pirúvico. + H+. produção ATP e NADH + H+. 2. Ác. pirúvico. Acetil CoA. Ciclo de Krebs. NADH + H+. 3. NADH.  Ciclo de Krebs  é a oxidação do acetil Côa a CO2 com. + H+. produção de ATP, NADH + H+ e FADH2. Ác. Lático, etanol.  Cadeia Transportadora de Elétrons  NADH + H+ e FADH2. CO2. ATP. NADH + H+.  Glicólise  oxidação da glicose a ácido pirúvico com. são oxidados e os elétrons são transportados por. Elétrons. meio de reações de oxi-redução com liberação de. ATP. energia e produção de ATP (outro passo). O2. Cadeia de transporte de elétrons e quimiosmose. H2 O. H.  Glicólise ou via Embdem-Meyerhof. H.  a maioria dos microrganismos e células vivas  Não requer O2. Glicose (rota de Embden-Meyerhof): Estágio preparatório H. C. O. C. OH. ATP. H. C. OH. OH. C. H. H. C. OH. C. H. H. C. OH. H. C. OH. H. C. OH. H. C. OH. H. C. O. H. H. P. 1. OH. C. O. H ATP. C. H. H. C. OH. H. C. OH. H. C. O. ADP. P. C. O. C. O. P. OH. C. H. H. C. OH. H. C. OH. H. C. O. P. H. H. Glicose 6fosfato (6C). Hexoquinase. C. OH. H. Glicose (6C).  Redução de NAD+ a NADH + H+. O. OH. ADP. H. H. C. Frutose 6fosfato (6C) 2 Fosfoblicoisomerase. Frutose 1,6difosfato (6C). 3. Fosfofrutoquinase. 4.  Consumo de 2 ATPs. Aldolase.  Produção de 4 ATPs (Fosforilação em nível de. P/ a etapa. 6. substrato)  Rendimento 2 ATPs e NADH + H+. H H. C. O. H. C. OH. H. C. O. 5 P. H. Isomerase. OH. H. Gliceraldeído 3-fosfato (3C). C. O. C. O. C. H. P. H. Diidroxiacetona fosfato (3C). Glicose (rota de Embden-Meyerhof): Estágio de conservação de energia H. C. O. H. C. OH. H. C. O. O 2 NAD+ 2 NADH + H+ P. H. Gliceraldeído 3-fosfato (3C). O. C. O. H. C. OH. H. C. O. 2 P. P. 2 ATP 2 ADP. P. C. OH. H. C. OH. H. C. O. H. P.  Via Entner-Doudoroff. H. 2x Ác. 1,3difosfoglicérico. 6.  Alternativas a Glicólise. 2x Ác. 3-Pglicérico. 7. Triose-P desidrogenase.  produção de 2 NADPH + H+ e 1 ATP para. P-glicerroquinase. 8. P-gliceromutase. P/ a Fermentação. O. O. H. C. OH. C. O. C H. 2 ATP 2 ADP. H. 2x Ác. pirúvico. P/ o Ciclo de Krebs. H. C. OH. C. O. O P. C H. 2x Ác. P-enolpirúvico 8 (PEP) Piruvato quinase. 2 H2O. 9. Enolase. C. OH. H. C. O. H. C. OH. biosíntese  alternativa para a quebra da glicose. P. Bactérias  Rhizobium, Pseudomonas (Identificação) e. H. 2x Ác. 2-P-glicérico. Agrobacterium. 4.

(5) 22/08/2011. H. Glicose (rota de Embden-Meyerhof): Estágio de conservação de energia. Glicose (rota de Embden-Meyerhof): Estágio preparatório H. C. O. H. C. OH. OH. C. H. H. C. OH. H. C. H. C. C. OH O. OH. C. 2 NAD+ OH H 2 NADH + H+ H OH. H. C. OH. OH. H. C. OH. OH. H. C. O. H. ATP ADP. H. C. H2O P. C. Glicose 6fosfato (6C). 1. Hexoquinase. O. C. OH. C C. H. H. C. OH. H. C. OH. H. C. O. H. Glicose (6C). OH O. C H2O. P. H. H. C. H. H. C. OH. H. C. OH. H. C. O. H. C. O. H. C. OH. H. C. O. O 2 NAD+ 2 NADH + H+. P. H. C. O. 6. H. C. OH. H. C. O. P. Gliceraldeído 3-fosfato (3C). H. OH. C. O. C. H. H. 2 ATP 2 ADP. P. O. 6. C. OH. H. C. OH. H. C. O. P. H. 2x Ác. 3-Pglicérico. 7 P-glicerroquinase. 8. P-gliceromutase. P/ a Fermentação. O. O OH. C. O. C. 2 ATP 2 ADP. H. H. C. OH. C. O. O 2 H2O. P. 2x Ác. pirúvico. Enolase. C. O. H. C. OH. P. 2x Ác. 2-P-glicérico. Piruvato quinase. P/ o Ciclo de Krebs. H. H. 2x Ác. P-enolpirúvico (PEP). 8. OH. C. 9. C H. H. C. P. Triose-P desidrogenase. O. H. OH. H. H H. O. C. 2x Ác. 1,3difosfoglicérico. C. P/ a etapa. O. C. C. 2 P. Gliceraldeído 3-fosfato (3C). Ác. 2-ceto-3-deoxi6-P-glicônico 3. 4. H. P. H. H. Ác. 6-P-glicônico. 2. O. Ác. pirúvico. Glicose (6C) ATP ADP. Glicose 6-P (6c).  quebra de pentoses (5C) e glicose  produz intermediários da síntese de ácidos nucléicos, glicose na. NADH+ H+. Fase oxidativa da via da pentose fosfato.  Via Pentose Fosfato ou Ciclo Hexose Monofosfato  funciona simultaneamente com a glicólise. Reações anabólicas. NAD+. Alternativas a Glicólise. Via Pentose Fosfato ou Ciclo Hexose Monofosfato. Ác. 6-P-glicônico (6C) NADP+. NADPH + H+. Ciclo de Calvin-Benson (fotossíntese). CO2 Ribulose 5-P (5C) Xilulose 5-P (5C). Ribose 5-P (5C). Sedoeptulose 7-P (7C). Síntese de nucleotídeos e ác. nucléicos. Gliceraldeído 3-P (3C). Síntese de a.a.. Glicose. Eritrose 4-P (4C). Frutose 6-P (6C). Gliceraldeído 3-P (3C). Frutose 6-P (6C). fotossíntese e a.a.. Glicose 6-P, pentoses ou glicólise.  produção de NADPH + H+ (coenzima reduzida) Bactérias  Bacillus subtilis, E. coli e Enterococcus faecalis. Diidroxiacetona-P (3C). P Frutose 1,6-DiP (6C). Frutose 6-P (6C). Ác. pirúvico NAD+.  Ciclo de Krebs, Ciclo do Ác. Tricarboxílico ou Ciclo do. Ciclo de Krebs. NADH. CoA. + H+. CO2. Ác. oxalacético + H+. NADH. NAD+.  energia i química í i do d Acetil A til CoA C A é liberada lib d. Ác. cítrico 2. 8 Ác. Á málico.  intermediários serão usados na biossíntese de. Ác. Á isocítrico 3. 7. FADH2 FAD. 6. NAD+ NADH. + H+. CO2 Ác. -cetoglutárico. Ác. fumárico. aminoácidos  produção de NADPH + H+ (coenzima reduzida). CoA. 1. Ác. Cítrico  Descarboxilação  retirada de C de um composto. CoA. Acetil CoA. CoA CoA. 4 5. + H+. CoA. Ác. succínico ATP. NAD+ NADH CO2. Siccinil CoA ADP+. P. 5.

(6) 22/08/2011.  Cadeia de Transporte de Elétrons  seqüência de moléculas transportadoras capazes de oxidação e redução  gradual liberação de energia  oxidação é irreversível  membrana plasmática e membrana mitocondrial interna  três classes de moléculas transportadoras  Flavoproteínas  coenzima Flavina mononucleotídeo (FMN), contém riboblavina (Vit. B)  Citocromos  proteínas que contem Fe (Fe2+ e Fe3+)  Ubiquinonas ou coenzima Q  não protéicas. Cadeia de Transporte de Elétrons NADH +H+. 4.1.2. Mecanismo Quimiosmótico de Geração de ATP. NAD+.  Quimiosmose  síntese de ATP utilizando a cadeia de. FAD. FADH2. tranporte de elétrons. FMN.  Difusão passiva  > conc. p/ < conc.  produz energia. Q Cit b. 2 H+. Cit c1. Legenda:. Cit c.  bombeamento de prótons  gradiente de prótons. Cit a. = Redução.  membrana fosfolipídica é impermeável a prótons. Cit a3. ½ O2. = Oxidação.  Força próton motiva  gradiente eletroquímico resultante tem energia potencial. FMN = flavina mononucleotídeo Cit = citocromos Q = ubiquinona. H2O. Transporte de Elétrons e Geração de ATP Espaço entre as membranas mitocondriais ou extracelular 2H+. 2H+ 2H+ 6H+. Membra ana. Cit b FMN. Q. 2H+ + ½ O2 2H+. NAD+. Cit a. Cit a3. Cit c1. 2H+. NADH +H+. Cit c. H2O. 3 ADP+ 3 P. 3 ATP. Matriz mitocondrial ou citoplasma. 6.

(7) 22/08/2011. Glicólise Glicose. Rendimento de ATP na respiração aeróbica em procariotos. 2 NADH +2 H+. ATP 2 Ác. pirúvico. +2 H+. 6 NADH +2 H+ 2 FADH2. 4.1.3. Respiração Anaeróbica. 2 CO2. 2 NADH 2 Acetil CoA. Ciclo de Krebs.  o aceptor final de elétrons é uma substância inorgânica diferente do O2. 4 CO2.  Pseudomonas e Bacillus P d B ill  6 CO2. 10 NADH 2 FADH2. Nitrato (NO3-)  Nitrito (NO2-), Óxido nitroso (N2O) ou N2. 2 ATP. +10 H+.  Desulfovibrio  SO42-  sulfeto de hidrogênio (H2S)  Outras  carbonato (CO32-)  metano (CH4). Cadeia de transporte de elétrons e quimiosmose. 34 ATP 6 O2. +12 H+ 6 H2 O. 38 ATP. Glicose. 4.1.3. Fermentação. 2 ADP. 2 NAD+ 2. libera energia de açucares, a.a., ác. orgânicos, purinas e pirimidinas. O. NADH +H+. H. O. C. H. ATP. 2x Ác. pirúvico 2 NADH + H+. não requer o uso do Ciclo de Krebs ou cadeia de transporte de elétrons.  aceptor de elétrons é uma molécula orgânica - Depende  do microrganismo, do substrato e das enzimas presentes - Identificação de microrganismos. OH. C H. não requer O2. produz 1 ou 2 ATPs. C. 2. OU. 2 CO2. 2. H. C. O. H. C. H. NADH + H+. H. 2 NAD+ O C. OH. H. C. OH. H. C. H. H. 2 NAD+. 2x Ác. lático. H H. C. OH. H. C. H. Fermentação do Ácido Lático. H. 2x Etanol Fermentação Alcoólica. 7.

(8) 22/08/2011.  Fermentação do Ácido Lático.  Fermentação Alcoólica (etanol).  Primeira fase  glicólise.  Primeira fase  glicólise.  2 ATPs/Glicose  recuperação de. NAD+.  2 ATPs/Glicose.  Deterioração de alimentos  Produção de iogurte, chucrute e conservas.  Recuperação de NAD+.  Homoláticos  produzem só ác. lático  Streptococcus e.  Saccharomyces  etanol  álcool nas bebidas. Lactobacillus  Heteroláticos ou heterofermentativos  ác. lático, outros ác. ou.  CO2  crescimento da massa do pão. alcoóis. Tabela – Comparação da Respiração Aeróbica, Respiração Anaeróbica e Fermentação Processo de produção de energia Respiração Aeróbica A óbi Respiração Anaeróbica Fermentação. Tipo de Aceptor Final de Hidrogênio fosforilização (Elétron) O2. Substrato e oxidativa id ti. Tabela - Alguns microrganismos e suas fermentações Organismos. Produto das Fermentações. Moléculas de ATP por Glicose. Streptococcus, Lactobacillus, Bacillus. Ác. lático,. Saccharomyces (levedura). Etanol e CO2. 36 ou 38*. Propionibacterium. Ác. Á propiônico, ác. acético, CO2. Clostrídium. Ác. butírico, butanol, acetona, álcool isopropílico e CO2. Eschericha, Salmonella. Etanol, ác. lático, ác. succínico, ácido acético, CO2 e H2. Enterobacter. Etanol, ác. lático, ác. fórmico, buanodiol, acetoína, CO2 e H2. NO3-, SO4-2 ou CO3-2. Substrato e oxidativa. < 38 e > 2. Molécula orgânica. Substrato. 2. * Eucariotos  36 ATP; Procariotos  38 ATP. e H2. Tabela - Alguns usos industriais para diferentes tipos de fermentação Produto(s) da Fermentação Etanol. Uso industrial ou comercial. Material inicial. Microrganismos. Cerveja. Extrato de malte Suco de uva Refugos industriais Etanol Leite. Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces p ellipsoideus S. cerevisiae. Etanol. Vinho. Etanol. Combustível. Ác. acético Ác. lático. Vinagre Queijo, iogurte. Ác. lático. Pão de centeio. Ác. lático. Chucrute. Grão, açúcar Repolho.  Catabolismo dos Lipídeos. Acetobacter Lactobacillus , Streptococcus Lactobacillus bulgaricus Lactobacillus plantarum. Lipídeos. Lípases. ác. graxos + glicerol.  Lípases Lí  enzimas i extracelulares t l l  Glicerol  diidroxiacetona P  gliceraldeído 3-P  glicólise  ác. piruvico  Ciclo de Krebs  Ác. graxos. Beta oxidação. Acetil CoA  Ciclo de Krebs. 8.

(9) 22/08/2011.  Catabolismo das Proteínas. 5. Vias Metabólicas de Uso de Energia (Anabolismo). Proteases e peptidases. Proteínas. a.a..  Proteases e peptidases  enzimas extracelulares. intermediários do Ciclo de Krebs. descarboxilação e desidrogenação. Glicose.  Movimento flagelar  produção de novos componentes celulares. Biossíntese de Polissacarídeos Glicólise. Transporte de substâncias através da membrana plasmática. desaminação.  a.a..  Glicose  45 % da energia é perdida na forma de calor. Biossíntese de Lipídeos. Glicólise Glicose. ATP. Glicose 6-fosfato. Adenosina difosfoglicose Uridina difosfoglicose. Glicosgênio. Glicosgênio. Diidroxiacetona fosfato. Glicose 6-fosfato Ác. pirúvico. Glicerol. Acetil CoA. Ác. graxos. Lipídeos simples. UTP Frutose 6-fosfato Ác. pirúvico. Acetil CoA. UDPNAc. Peptideoglicana. Síntese de desidratação consumo de energia. Ciclo de Krebs. UDPNAc = uridina difosfoglicose-N-acetilglicosaminase CO2.  Biossíntese de Aminoácidos e Proteínas  E. coli  sintetizam todos os a.a. que necessitam  Precursores intermediários  Ciclo de Krebs (ác. pirúvico, ác. oxalacético) Via das pentoses fosfato, Via Entner-Doudoroff  Síntese Sí t de d a.a.  aminação i ã ou transaminação t i ã - Aminação  reação de adição de um grupo amino ao ác. pirúvico (ex.) - Transaminação  o grupo amino advém de outro a.a. pré-existente  Síntese de proteína  união de a.a. com consumo de ATP. Biossíntese de aminoácidos Via Pentose Fosfato Acetil CoA. Ciclo de Krebs. Aminação ou Transaminação. Aminoácidos. Via Entner-Doudoroff. 9.

(10) 22/08/2011. Transaminação C OOH CH2. +. CH2 H. C. COOH. C OOH. CH2. CH2. C. O H. C. COOH. COOH CH2. +. CH2. COOH. NH2.  Biossíntese de Purinas e Pirimidinas. H. C. Doudoroff) + ác. aspártico, glicina e NH2. COOH. O. COOH. Ácido glutárico. Ácido oxalacético. Ácido -cetoglutárico. Síntese  pentose-P (pentose fosfato e Entner-. Ácido aspártico. glutamina (a.a.) (a a ) + ATP  DNA e RNA  unidades repetidas nucleotídeos  Nucleotídeos  uma purina ou pirimidina, uma pentose e um fosfato. Biossíntese de nucleotídeos de purina e de pirimidina. Glicólise Glicose Glicose 6-fosfato. Via pentose fosfato ou via Entner-Doudoroff. Ác. Fosfoglicérico. 5. A Integração do Metabolismo  Reações anabólicas e catabólicas estão unidas através de intermediários. Pentose (5C). Glicina.  tb dividem vias metabólicas. Ác. pirúvico.  Vias anfibólicas  vias metabólicas que Nucleotídeos de purina. Acetil CoA. Nucleotídeos de pirimidina. funcionam em ambos anabolismo e catabolismo  Regulação  NAD+  reações catabólicas. Glutamina. Acetil CoA. Ác. aspártico. Ciclo de Krebs.  NADP+  reações anabólicas. Glicólise Glicose Nucleotídeos. Carboidratos. Glicose 6-P Frutose 1,6-P GA3-P. Glicerol. DAP. Ác. Fosfoglicérico. Aminoácidos. Ác. Fosfoenolpirúvico. Aminoácidos. Ác. pirúvico. Lipídeos. Aminoácidos. Ác. lático Ác. graxos. Acetil CoA Aminoácidos Ác. oxalacético. Ciclo de Krebs Ciclo de Krebs Ác. -cetoglutárico Aminoácidos. 10.

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