Produção de energia por micro-organismos

Produção de energia por

micro-organismos

Fernanda Abreu

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Introdução

• Micro-organismos estão em toda parte

• Especialmente procariotos

– Apresentam grande diversidade metabólica

• Utilização de nutrientes diversos

Fontes de energia utilizadas pelos

seres vivos

LUZ

Processos de obtenção de energia

• São caracterizados por reações de oxidação e

redução;

• Uma substância doa elétrons e outra recebe;

• Quando a substância que doa elétrons é :

– Inorgânica: organismo é litotrófico – Orgânica: organismo é organotrófico

Tipos de processos de obtenção de

energia

Produção de energia por micro-organismos

• Como a célula armazena energia?

– Através de ligações químicas nas moléculas, isto é, energia química.

– A variação de energia livre (Δ G ) ocorre nas diversas reações celulares.

– Definição de energia livre (G): energia disponível para realizar trabalho.

• Δ G negativo = liberação de energia, processos catabólicos • Δ G negativo = consumo de energia, processos anabólicos

Produção de energia por micro-organismos

• Moléculas carreadoras de energia na célula:

– Nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+₎

• E sua forma fosforilada NADP+

• Transportam prótons e elétrons

Processos de síntese de ATP

• São chamados de fosforilação:

– Adição de fosfato a ADP

ADP + Pi + Energia  ATP 30,5 kJ/mol

• Processos de síntese de ATP

– Fosforilação ao nível do substrato;

– Fosforilação por transporte de elétrons; – Fosforilação por força íon-motiva.

1. Fosforilação ao nível do substrato

• É o processo no qual o grupo fosfato de um

composto químico é removido e adicionado

diretamente ao ADP.

Fosfoenolpiruvato  Pirivato + Pi ΔG = -61,9 kJ/mol ADP + Pi  ATP ΔG = +30,5 kJ/mol ________________________________________________

Fosfoenolpiruvato + ADP  Piruvato + ATP ΔG = -31,4 kJ/mol

2. Fosforilação por transporte de elétrons

• Síntese de ATP ocorre em membrana celular.

– Mitocôndrias e cloroplastos: eucariotos – Membrana plasmática: procariotos

• Elétrons transferidos de compostos químicos a

carreadores

(NAD

e

NADP

)

são

transportados através de diferentes proteínas

carreadoras na membrana até o aceptor final.

2. Fosforilação por transporte de elétrons

• Composto químico: perde elétrons, sendo

este o doador de elétrons, e, por isso, sofre

oxidação. (reação de oxidação)

• Composto químico: recebe elétrons, sendo

este o aceptor de eletrons, e, por isso, sofre

redução (reação de redução).

Litotrófico X Organotrófico

2. Fosforilação por

transporte de elétrons

• Tendência

da

substância

em

doar ou receber

elétrons

-Essa tendência é chamada de potencial de

redução (E).

-E é definido como a voltagem necessária para remover elétrons de uma substância

-Quanto mais negativo, maior a probabilidade de a substância doar elétrons.

2. Fosforilação por transporte de elétrons

• Componentes da cadeia transportadora de

elétrons em procariotos:

– Flavoproteínas: FMN - flavina mononucleotídeo FAD - adenina dinucleotídeo

– Quinonas: coenzima Q: ubiquinona (aeróbicas, eucariotos)

menaquinona (anaeróbicas) *metabolismo facultativo tem as duas

– Ptns ferro-enxofre: contém arranjos de no iguais de Fe e S

2. Fosforilação por transporte de elétrons

Potencial de redução

2. Fosforilação por transporte de elétrons

• Transporte de prótons através da membrana

forma um gradiente eletroquímico;

• Energia do gradiente é utilizada na síntese de

ATP pela ATPase ou ATP sintase.

• Força próton-motiva é

utilizada em outros

processos

dependentes de

energia:

Força “sódio-motiva”: bactérias marinhas

3. Fosforilação por força íon-motiva

• Outras formas de obtenção de gradiente

eletroquímico:

– Excreção de produtos finais do metabolismo – Antiporte de compostos;

– Reações de descarboxilação; – Oxidação extracitoplasmática;

Resumo dos processos de síntese de

ATP em procariotos

Metabolismo Quimiorganotrófico

• Fonte de energia: compostos orgânicos

• Principal composto orgânico utilizado: glicose

• Utilizada nos processos:

– Respiração: aeróbica anaeróbica – Fermentação

Metabolismo Quimiorganotrófico

• Respiração aeróbica:

– Processo em que ocorre a oxidação completa da substância orgânica utilizando o O₂ como aceptor final de elétrons.

C₆H₁₂O₆ + 6O₂  6CO₂ + 6H₂O

- Processo complexo dividido em 3 partes:

- Vias Glicolíticas - Ciclo de Kerbs

Metabolismo Quimiorganotrófico

• Respiração aeróbica:

- Vias Glicolíticas: clivagem da glicose

- Via Embden-Meyerhof - Entner-Doudoroff

- Via das Pentoses-fosfato

- Ciclo de Krebs

Metabolismo Quimiorganotrófico

• Respiração aeróbica:

- Vias Glicolíticas: clivagem da glicose

- Via Embden-Meyerhof (eucariotos e procariotos)

Glicose  2 ATP + 2 NADH + 2H+_{+ 2 Piruvato}

- Entner-Doudoroff

Glicose  ATP + NADPH + H+ _{+ NADH + H}+ _{+ 2 Piruvato}

- Via das Pentoses-fosfato

Glicose  ATP + 2 NADPH + 2H+ _{+ CO}

Metabolismo Quimiorganotrófico

• Respiração aeróbica:

– Vias Glicolíticas: clivagem da glicose

Via Embden-Meyerhof Entner-Doudoroff

Via das Pentoses-fosfato

Intermediário em comum:

Gliceraldeído 3-fosfato

Convertido em

Metabolismo Quimiorganotrófico

• Respiração aeróbica:

- Ciclo de Krebs:

- Segunda etapa da respiração de procariotos e eucariotos

Metabolismo Quimiorganotrófico

• Respiração aeróbica:

- Fosforilação Oxidativa:

- Última etapa da respiração

- Quando ocorre a síntese de ATP por meio de fosforilação por transporte de elétrons

Metabolismo Quimiorganotrófico

Metabolismo Quimiorganotrófico

Metabolismo Quimiorganotrófico

– Oxidação parcial do composto orgânico.

– É um metabolismo anaeróbico: ocorre na ausência de O₂. – O aceptor de elétrons é a própria molécula orgânica.

Metabolismo Quimiorganotrófico

• Fermentação:

– Metanogênese: ocorre em ambientes onde bactérias liberam substratos orgânicos como acetato, que são fermentados por arqueas, gerando CH₄.

– Processo é considerado fermentação, pois o acetato não é completamente oxidado a CO₂.

– Metanogênise acetoclástica e metilotrófica (metanol).

Metabolismo Quimiorganotrófico

Metabolismo Quimiolitotrófico

• Procariotos são os únicos capazes de utilizar compostos inorgânicos como fonte de energia.

• É um processo de baixo rendimento energético e por isso grandes quantidades de compostos inorgânico são oxidadas.

Metabolismo Quimiolitotrófico

Metabolismo Quimiolitotrófico

Metabolismo Quimiolitotrófico

Metabolismo Quimiolitotrófico

• Metanogênese:

– Grupo de procariotos que utiliza H₂ como doador de elétrons e CO₂ como aceptor.

– Metanogênese:

Metabolismo Quimiolitotrófico

• Nitrificação:

- Amônia  Nitrito:

Nitrosomonas

amônia mo-oxigenase: NH3  hidroxilamina

:hidroxilamina oxirredutase: hidroxilamina  nitrito

- Nitrito  Nitrato:

Nitrospira

Metabolismo Quimiolitotrófico

• Anamox:

– Reação de oxidação anaeróbica da amônia.

– Realizada por um grupo específico de bactérias.

Planctomyces- possuem compartimentos envoltos

por membrana NH₄+ _{+ NO}

2-  N2 + 2H2O ΔG = -357 kJ

Metabolismo Fototrófico

+ Fotolitotroficos: compostos inorgânicos como doadores de elétrons + Fotoorganotróficos: compostos orgânicos como doadores de elétrons

Metabolismo Fototrófico

• Bactérias Fototróficas: Cianobactérias, proclorófitas, bactérias verdes, púrpuras e heliobactérias.

• Componentes funcionais para realização da fotossíntese:

– Pigmentos capazes de captar luz; – Cadeia transportadora de eletrons; – ATPase.

• Absorção de fóton por uma molécula:

– Molécula no estado excitado: elétron move-se para orbital superior.

– Essa forma é instável. Pode ocorrer emissão de luz, calor ou o elétron pode ser transferido para outra molécula.

Metabolismo Fototrófico

Principais pigmentos de fotossíntese em bactérias : 1. Clorofilas (fotossíntese oxigênica)*

2. Bacterioclorofilas (fotossíntese anoxigênica)* 3. Carotenoides

4. Ficobilinas

Metabolismo Fotototrófico

1. Clorofilas:

Chl a 680 e 430 nm; 480 carotenoide

Metabolismo Fototrófico

1. Clorofilas:

• Técnica fundamental para estudo dos micro-organismos do ambiente • Sergei Winogradsky – Coluna de Winogradsky – Ecossistema artificial • Lodo orgânico • Substratos (fonte de C) • Carbonato de cálcio • Sulfato de cálcio

Coexistência

Metabolismo Fototrófico

1. Clorofilas: Organização dos pigmentos na célula; está associadas a ptns, formando complexos

• Centros de reação:

- Moléculas de pigmento que participam diretamente da conversão de energia luminosa em ATP.

• Pigmentos antena:

- Molécula de clorofila/bacterioclorofila

encontradas ao redor do CR que absorvem a luz e a condizem para o CR.

Metabolismo Fototrófico

1. Clorofilas:

• Organização de pigmentos na célula

- Invaginações da membrana citoplasmática - Na própria membrana;

- Estruturas especializadas envoltas por não unidade de membrana - CLOROSSOMOS Bactérias verdes sulfurosas Clorossomo: estrutura altamente eficiente na captação o de luz.

Metabolismo Fototrófico

2. Carotenoides:

- Pigmento acessório amplamente distribuído;

- São hidrofóbicos, sensíveis a luz e firmemente associados à membrana.

- Geralmente amarelos, vermelhos, marrons ou verdes.

- Estão associados à clorofila ou bacterioclorofila nos complexos fotossintéticos, mas não atuam diretamente na síntese de ATP. - Atuam na captação e transferência de luz para o CR.

- Atuam como foto-protetores: dissipam espécies tóxicas de oxigênio e absorvem luz que seria prejudicial.

Metabolismo Fototrófico

2. Ficobilina e ficobilissomos:

- Pigmento acessório presente em cianobactérias; - Pigmento antena;

- Podem ser vermelhos ou azuis: absorvem luz em diferentes λ

- Formam agregados: ficobilossomos

Atuam na captação e

Fotossíntese oxigênica

Mecanismo de síntese de ATP: Fotofosforilação acíclica

Fotossíntese anoxigênica

• Encontrada em bactérias púrpura sulfurosa, verde não sulfurosas e sulfurosas e heliobactérias.

• Aparato fotossintético organizado em vesículas membranosas (cromatóforos) ou pilhas de membranas (lamelas).

Fotossíntese anoxigênica

P870: CR

Aula Prática

Prática 5

Observação microscópica de micro-organismos

do ambiente

Técnicas de isolamento de micro-organismos:

esgotamento

Prática 5

• Observação microscópica dos micro-organismos do ambiente.

• Preparação a fresco:

– Flambar a alça de platina

– Colocar a solução salina estéril na lâmina utilizando a alça e respeitando as manobras assépticas; **** Se for cultura líquida não é necessário.

– Flambar a alça de platina;

– Colocar uma porção da cultura suspensão bacteriana em uma lâmina utilizando a alça e respeitando as manobras assépticas – Cobrir com a lamínula.

– Adicionar uma pequena gota de óleo de imersão e observar com objetiva de imersão (100 X).

Prática 5

• Técnicas de isolamento de micro-organismos:

Esgotamento

– MEIO DE CULTURA:

Material nutriente preparado no laboratório

para o crescimento de microrganismos. Os

microrganismos que crescem e se multiplicam

nos meios de cultura são denominados

Prática 5

• Técnicas de isolamento de micro-organismos: Esgotamento

- MEIO DE CULTURA:

Material nutriente preparado no laboratório para o crescimento de microrganismos. Os microrganismos que crescem e se multiplicam nos meios de cultura são denominados cultura.

- Fatores Necessários para o Crescimento

Os fatores necessários para o crescimento bacteriano podem ser divididos em duas categorias principais:

1. Fatores físicos: temperatura, pH, pressão osmótica.

2. Fatores químicos: água, fonte de carbono, nitrogênio, minerais, oxigênio e fatores orgânicos de crescimento.

Prática 5

– Seletivo: componentes adicionados inibem crescimento de determinados micro-organismos.

Ex.: utilização de cicloheximida para inibição de eucariotos em enriquecimento de procariotos; ou antibióticos como ampicilina no sentido contrário.

– Diferencial: adição de componentes que resultam no crescimento diferenciado que permite a distinção de tipos de bactérias.

Ex.: utilização de indicadores de pH como bromocresol, na identificação de bactérias produtoras de ácido.

– Enriquecimento: meio com componentes que permitem o crescimento de tipos específicos enquanto inibem o crescimento da microbiota contaminante.

Prática 5

Técnicas de isolamento de micro-organismos: Esgotamento

Método de Semeadura por Esgotamento

- A maioria dos materiais infecciosos ou provenientes de solo, água ou mesmo alimentos possui uma grande variedade de

microrganismos. Como separar?

- Semeadura em meios sólidos e observação do formato das diferentes colônias, coloração das colônias, etc... .

Prática 5

Técnicas de isolamento de micro-organismos: Esgotamento

- Semeadura por esgotamento :

Largamente empregado para isolamento de microrganismos presentes em grandes números relativos à população microbiana.

Prática 5

Técnicas de isolamento de micro-organismos: Esgotamento

• Proceder da seguinte maneira:

– realizar o maior número de estrias possíveis. – Não perfurar o meio.

– Não voltar com a alça sobre as estrias.

– Utilizar pequena quantidade de material para semear.

Prática 5

• OBJETIVOS DA PRÁTICA

– Mostrar ao aluno os métodos de obtenção de cultura pura.

– Treinar o aluno na execução da técnica de isolamento.

Prática 5

Técnica de isolamento de bactérias (obtenção de cultura em meio sólido).

• Utilizar uma suspensão mista de bactérias (Serratia + Micrococcus) a ser distribuída pelo professor.

• Flambar a alça e retirar com ela uma pequena gota da suspensão mista de bactérias. Semeá-la sobre a superfície de um meio sólido (ágar-simples) em placa. A semeadura deve ser feita por estrias, de acordo com o

esquema da figura abaixo, na seqüência (método de esgotamento).

– Primeira operação: colocar a gota na superfície do meio e passar a alça em zig-zag .

– Segunda operação: mudar a direção do estriamento para a 2a _{região da placa}

sem tocar nas estrias do primeiro plaqueamento.

– Terceira operação: mudar a direção do estriamento para a 2a _{região da placa}

sem tocar nas estrias do segundo plaqueamento.