O documento discute os processos metabólicos realizados por microrganismos para obter energia a partir de fontes como luz ou compostos químicos. Apresenta as vias de obtenção de ATP, como a glicólise, ciclo de Krebs e cadeia respiratória na respiração aeróbia, e discute a fermentação e respiração anaeróbia. Também aborda a utilização da energia para a biossíntese de compostos celulares e outros processos.

1. 15/01/2014
Metabolismo microbiano
Fonte de Energia
• Metabolismo:
• toda
a atividade química realizada por um organismo e seu
maquinário.
Química
Luz
São de 2 tipos:
CO2
Fotoautotróficos
Quimioautotróficos
Fotoheterotróficos
• aquelas que liberam E = exergônicas – catabólicas (-)
• aquelas que utilizam E = endergônicas – anabólicas (+)
Quimioheterotróficos
Fonte de
Carbono
Compostos
orgânicos
• E = capacidade de realizar trabalho
química (contida em ligações químicas
das moléculas)
luminosa (energia radiante que será
convertida em energia química)
• Requerimentos de energia:
Crescimento celular,
reprodução,
manutenção
e movimento
Componentes celulares
como proteínas (enzimas),
DNA, RNA, carboidratos,
lipídeos, etc.
Síntese
Compostos e
estruturas
Degradação
E requerida
Sistema de
armazenamento
e transferência
de E
E liberada
Quebra de
substratos ou
nutrientes
Produtos da degradação
servem como unidades
para a produção de
compostos celulares
Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte
de energia e carbono
Quimiotróficos
(utilizam substâncias
químicas
como fonte de energia)
Quimiolitotróficos
Quimiorganotróficos
C= CO2
C=orgânico
1

2. 15/01/2014
Fotoautotrófico = plantas, cianobactérias, algas verdes
Fotoorganotrófico/hetero = bactérias púrpuras, exceto as abaixo
Fotolitotróficas = bactérias púrpuras metabolizantes do S
Quimioautotrófico = Archaea metanogênicas
Quimiorganotrófico/hetero = maioria bactérias e fungos
Quimiolitotrófico = bactérias nitrificadoras
Energética e 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)
Catalise
Muitas reações que
libreram energia
não ocorrem
espontaneamente,
necessitando de
ativação dos
reagentes
• Terminação ase ao seu substrato
• Celulase: degradam celulose
• Glicose-oxidase: catalisa a oxidação da glicose
• Ribonuclease: decompõe acido ribonucleico
• Lisozima: cliva o peptideoglicano
COMPLEXO ENZIMA-SUBSTRATO
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
:
CoA,
2

3. 15/01/2014
O ATP é o composto de alta energia mais importante nos seres vivos.
Armazenamento de energia - catabolismo
Apesar disso, sua concentração nas células é relativamente baixa.
Para o armazenamento de energia por períodos longos, os
microrganismos produzem polímeros insolúveis.
Ex.: polímeros de glicose (amido e glicogênio), polímeros lipídicos, PHAs
(biopoliéster).
Compostos ricos em energia: armazenamento e
transferência de energia (a longo prazo)
Geração de ATP por microrganismos
• Procariotos:
– Glicogenio
– Poli-β-hidroxibutirato
– Poli-idroxialcanoatos
– S (elementar)
Ausência de aceptores
exógenos de elétrons
Menos E
• Fermentação
Síntese de ATP acoplada
a reações de óxido-redução
• Respiração
• Eucariotos
– Poliglicose na forma de amido
– Lipídeos na forma de gorduras
O2 ou outro composto como
aceptor exógeno de elétrons
Mais E
Oxidação = perda de e- (liberam energia)
Redução = ganho de e- (requerem energia)
As reações de oxi-redução (redox)
- 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
- 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
Formas reduzidas de C (carboidratos, metano, lipídios, álcoois) são
importantes estoques de energia em suas ligações.
Formas oxidadas de C (cetonas, aldeídos, ácidos carboxílicos e CO2)
dispõem de pequeno potencial energético em suas ligações.
Mecanismos para conservação de energia
(Síntese de ATP)
Os quimiotróficos apresentam dois mecanismos conhecidos:
1. Respiração: atuam aceptores externos de elétrons (fosforilação oxidativa)
Podendo ser:
a) Aeróbia: o aceptor externo é o oxigênio
b) Anaeróbia: aceptores diferentes do oxigênio (nitrato, sulfato, carbonato)
2. Fermentação: ocorre na ausência de aceptores externos de elétrons
(fosforilação a nível de substrato)
1a) Respiração aeróbia
É o procedimento mais comum às células e compreende 3 etapas:
1) Piruvato (glicólise quando o substrato é a glicose)
2) Ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs)
3) Cadeia respiratória
3

4. 15/01/2014
1ª etapa: Piruvato (via glicolítica)
É considerada a via metabólica mais primitiva, presente em todas as formas de vida atuais.
Ocorre no citoplasma das células.
2ª etapa: Ciclo de Krebs
Ocorre no citoplasma (procariotos) e nas mitocôndrias (eucariotos).
Produção direta de 1 GTP
guanosina trifosfato (equivalente ao ATP)
Características:
1.Oxidação parcial da
glicose a piruvato
Além do papel-chave nas reações
catabólicas, é importante nas reações
biossintéticas.
2.Pequena quantidade de
ATP é gerada (produção
líquida de 2 ATP)
Os intermediários são desviados para
vias biossintéticas quando necessário:
Exemplos:
3.Pequena quantidade de
NAD é reduzida a NADH
Oxalacetato: precursor de aminoácidos
Succinil-CoA: formação de citocromos e
da clorofila, entre outros
Acetil-CoA: biossíntese de ácidos graxos
3ª etapa: Cadeia respiratória (sistema de transporte de elétrons)
Ocorre ao nível da membrana das mitocôndrias (eucariotos) e na membrana
citoplasmática (procariotos)
Fosforilação oxidativa
Geração da força
protomotiva
Os prótons e elétrons recolhidos na
glicólise pelo NAD e no Ciclo de Krebs
pelo NAD e FAD são transportados ao
longo de uma cadeia de citocromos
em níveis sucessivamente mais baixos
de energia de modo que seja melhor
aproveitada na formação de ATP.
As 3 etapas da via
respiratória
4

5. 15/01/2014
Respiração anaeróbia
Síntese da respiração aeróbia
•
•
•
•
Reações de oxidação e redução em presença de um aceptor de elétrons externo, o O2
A molécula inteira do substrato é oxidada até CO2
Alto potencial de energia
Grande quantidade de ATP pode ser gerada: teoricamente até 38 ATPs
É uma variação alternativa da respiração aeróbia: o aceptor de elétrons não
é o oxigênio.
• Uma implicação é o rendimento energético inferior: nenhum aceptor
alternativo apresenta potencial tão oxidante quanto O2.
Produção de ATP:
• O uso de aceptores alternativos permitem os microrganismos respirarem em
ambientes sem oxigênio, sendo de extrema importância ecológica.
Na cadeia respiratória:
4 NADH formados na glicólise geram
12 ATP
6 NADH formados no ciclo de Krebs geram
• Oxidação de substratos orgânicos ou inorgânicos:
18 ATP
2 FADH formados no ciclo de Krebs geram
2 ATP
Formação direta no Ciclo de Krebs
2 lactato + SO4= + 4H+ → 2 acetato + 2CO2 + S= + H2O
4 ATP
Formação direta na Glicólise
C6H12O6 + 12 NO3- → 6CO2 + 6H2O + 12NO2-
2 GTP
• Quantidade de energia produzida é menor
Total de até .................................................... 38 ATP
Fermentação (também é uma forma de respiração anaeróbia) –
fosforilação a nível de substrato
Características da Fermentação:
Reação de oxidação-redução internamente balanceada. Ausência de
aceptores externos.
A concentração de NAD+ nas
células é baixo, precisando
ser re-oxidado para não
cessar a via glicolítica.
A redução do piruvato a
etanol ou outros produtos
restabelece o NAD e permite
a continuidade da glicólise .
Produção líquida de apenas
2 ATP.
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
Produção líquida de apenas 2 ATP
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
5

6. 15/01/2014
Fototrofia
Utilização da energia da luz - Fotossíntese
a) Fotossíntese oxigênica
Presente nas cianobactérias e nos cloroplastos dos eucariontes (algas por ex.)
Doador de elétrons é H2O: sua oxidação gera o O2
Dois fotossistemas: PSI e PSII
Maior função é produzir ATP e NADPH para a fixação de carbono.
Cloroplasto de eucariotos
Fotossíntese oxigênica
Cianobactérias
Fotofosforilação
A energia da luz é utilizada para a síntese de ATP
Cianobactérias
O NADPH é utilizado para reduzir o CO2 no processo de fixação do
carbono
b) Fotossíntese anoxigênica
Doadores de elétrons variam:
H2S or So nas bactérias verdes e púrpuras sulfurosas
H2 ou compostos orgânicos em bactérias verdes e púrpuras não sulfurosas
Apenas um fotossistema
Bactérias verdes tem foto-sistema semelhante ao PSI
Bactérias púrpuras tem foto-sistema semelhante ao PSII
Principal função é produzir ATP via fotofosforilação
Biossíntese
• Energia para síntese de compostos celulares: ácidos
nucléicos (DNA, RNA), substâncias nitrogenadas (aa,
enzimas, proteínas), carboidratos (peptidoglicano),
lipídeos, etc.
• ATP para processos como divisão celular,
mobilidade, transporte ativo de nutrientes, etc.
6

7. 15/01/2014
Utilização de energia
Biossíntese de Compostos Nitrogenados
N2
Fornecimento de precursores de aminoácidos
N inorgânico (NH3+)
Aminoácidos
Arranjo de aminoácidos
Proteínas/enzimas
Purinas e pirimidinas
Nucleotídeos
Ácidos nucléicos (DNA, RNA)
Biossíntese de nucleotídeos e ácidos nucléicos
(Madigan et al., 2004)
Biossíntese de nucleotídeos e ácidos nucléicos
Nucleotídeo = base nitrogenada-pentose-fosfato
ribose = ribonucleotídeos (RNA)
desoxirribose = desoxirribonucleotídeos (DNA)
Ativação dos nucleotídeos (ATP)
Síntese de ácidos nucléicos a partir de nucleotídeos ativados
7

8. 15/01/2014
Biossíntese de carboidratos
Biossíntese de ácidos graxos
CO2
Glicose
Glicólise
Triose
Ácido pirúvico
Pentoses e hexoses
Acetil CoA e Malonil CoA
Nucleotídeos
Ácidos graxos de cadeia longa
Polissacarídeos
(peptidoglicano,
celulose, amido, etc.)
RNA e DNA
Fosfolipídios
Glicerol fosfato
Outras utilizações de energia
Transporte
Motilidade
Reparos
Produção de estruturas de resistência (endosporos)
8