Metabolismo e diversidade metabólica dos microrganismos Microbiologia FFI 0751 Profa. Nelma R. S. Bossolan 27/04/2016

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1 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) 1

2 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).

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4 Metabolismo Microrganismos Grande diversidade de estratégias bioenergéticas Podem utilizar como fonte de energia Compostos orgânicos (glicose, lactato, piruvato, etc.) Compostos inorgânicos (H 2 S, H 2, Fe 2+, NH 3 ) Luz 4

5 COMO A CÉLULA ARMAZENA ENERGIA?

6 Sistema de armazenamento e transferência de energia (ATP) Energia livre de hidrólise de alguns dos principais ésteres e anidros fosfatos. 6

7 O papel do ATP no acoplamento das reações anabólicas e catabólicas

8 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)

9 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 ( olifosfatos/)

10 COMO A CÉLULA OBTÉM ENERGIA PARA ARMAZENAR NA FORMA DE ATP?

11 Microrganismos ao degradarem Compostos químicos orgânicos geram? elétrons livres que percorrem uma Cadeia transportadora de e- a partir da qual a energia é estocada na forma de ATP 11

12 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.

13 Reações de oxidação-redução Exemplo de uma reação de oxidação-redução a formação da água. E 0 = - 0,42 V Ocorrem sempre aos pares E 0 = + 0,82 V Potencial de redução

14 Torre redox Tendência a doar e- Tendência a receber e-

15 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

16 Reações de oxidação-redução Por meio de carreadores de elétrons! nicotinamida adenina dinucleotídeo Podem estar Livres e difusos NAD + e NAD-P + Unidos à membrana plasmática FMN, FAD, citocromos, proteínas de Fe-S, quinonas (veremos depois!) Coenzima Grupo prostético flavina mononucleotídeo flavina adenina dinucleotídeo

17 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).

18 Ciclo NAD+/NADH

19 Carreadores de elétrons FMN (flavina mononucleotídeo) = flavina Porção Riboflavina (vit. B2) FAD (flavina adenina ribonucleotídeo)

20 Carreadores de elétrons Citocromo

21 Carreadores de elétrons Proteína de Fe-S Arranjo dos centros de Fe-S em proteínas Fe-S (não heme). a) centro Fe 2 S 2. b) centro Fe 4 S 4.

22 Carreadores de elétrons Quinona

23 Quimiorganotrofia ou quimioheterotrofia GERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DE COMPOSTOS QUÍMICOS ORGÂNICOS

24 Processos de produção de energia nos microrganismos a partir de composto orgânico Processos de produção de energia Respiração aeróbica Respiração anaeróbica Aceptor final de H (e-) Oxigênio molecular (O 2 ) Geralmente subst. inorg. (NO 3-, SO 4 2-, CO 3 2- ) Moléculas de ATP produzidas por molécula de glicose 38 (procariotos) Variável (menor que 38 e maior que 2) Fermentação Molécula orgânica 2 24

25 Respiração aeróbica em procariotos 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: C 6 H O ADP + 38 Pi 6CO 2 + 6H 2 O + 38 ATP 3 25

26 Sem O GLICÓLISE

27 2 - CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO

28 3 CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS Geração da força próton motiva pelo transporte de e- e produção de ATP na respiração aeróbia.

29 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.

30 Respiração anaeróbica - tipo de metabolismo comum entre os procariotos. - aceptor de e - é geralmente uma substância inorgânica: nitrato (NO 3- ), sulfato (SO 4 2- ), carbonato (CO 3 2- ), ferro férrico (Fe 3+ ). -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. 30

31 Principais forma de respiração anaeróbias. Os pares estão apresentados em ordem, de E 0 mais eletronegativo (no topo) para aqueles de E 0 mais eletropositivo (base) (Madigan et al., 2010). 31

32 Exemplo Redução de nitrato e denitrificação

33 Exemplo Redução de nitrato e denitrificação Expressão das enzimas envolvidas é ativada pela ausência de O 2 e presença de nitrato. Nitrato, p.e., como aceptor final de e-

34 Quimiolitotrofia ou quimioautotrofia GERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DE COMPOSTOS QUÍMICOS INORGÂNICOS

35 Quimiolitotrofia ou quimioautotrofia - Utilizam compostos químicos inorgânicos (H 2 S, H 2, Fe 2+, NH 3 ) como doadores de e -, geralmente com o O 2 como aceptor de e -. - CO 2 como fonte de C. - Exemplos: Beggiatoa (H 2 S), Acidithiobacillus ferrooxidans (Fe 2+ ), Nitrosomonas (NH 3 ), Hydrogenomonas (H 2 ). - Doadores inorgânicos: natureza geológica (atividades vulcânicas H 2 S), antropogênica (atividades agrícolas e de mineração compostos de N e Fe)

36 Quimiolitotrofia Oxidação do ferro ferroso (Fe 2+ ) Biolixiviação do Cobre: oxidação/redução de compostos de ferro e enxofre com a consequente solubilização do cobre preso no minério. Acidithiobacillus ferrooxidans. 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

37 Quimiolitotrofia Oxidação do ferro ferroso (Fe 2+ ) Biolixiviação do Cobre

38 Quimiolitotrofia Oxidação do ferro ferroso (Fe 2+ ) Fluxo de elétrons durante a oxidação do Fe 2+ por Acidithiobacillus ferrooxidans.

39 Fototrofia GERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DE LUZ

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41 Classes de organismos quanto às fontes de energia 41

42 AULA PRÁTICA

43 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 H 2 S (gás sulfídrico ou sulfeto de hidrogênio). 43

44 Bibliografia - Madigan et al., Microbiologia de Brock. São Paulo:Prentice-Hall, 10ª ed., Capítulos 5 e 20. -Tortora et al., Microbiologia. Porto Alegre: ArtMed, edições de 2005 e Capítulo 5. 44