Produção de energia por micro-organismos

Transcrição

1 Farmácia Noturno 2013 Produção de energia por micro-organismos Fernanda Abreu

2 Introdução Micro-organismos estão em toda parte Especialmente procariotos Apresentam grande diversidade metabólica Utilização de nutrientes diversos Diferentes mecanismos de obtenção de energia

3 Fontes de energia utilizadas pelos seres vivos LUZ Substâncias químicas

4 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

5 Tipos de processos de obtenção de energia

6 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

7 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 Adenosina trifosfato (ATP)

8 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.

9 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 Ocorre em vias de degradação da glicose e no metabolismo fermentativo

10 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.

11 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 Respiração aeróbica X anaeróbica

12 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. ΔG = -nfδe

13 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 Citocromos: ptns com grupo prostético heme

14 2. Fosforilação por transporte de elétrons Potencial de redução Fosforilação oxidativa: respiração aeróbica

15 2. Fosforilação por transporte de elétrons

16 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. F 0 ptns a,b, c

17 2. Fosforilação por transporte de elétrons Força próton-motiva é utilizada em outros processos dependentes de energia: No transporte de substâncias; Rotação do flagelo Força sódio-motiva : bactérias marinhas

18 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;

19 Resumo dos processos de síntese de ATP em procariotos

20 Metabolismo Quimiorganotrófico Fonte de energia: compostos orgânicos Principal composto orgânico utilizado: glicose Utilizada nos processos: Respiração: aeróbica anaeróbica Fermentação

21 Metabolismo Quimiorganotrófico Respiração aeróbica: Processo em que ocorre a oxidação completa da substância orgânica utilizando o O 2 como aceptor final de elétrons. C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O - Processo complexo dividido em 3 partes: - Vias Glicolíticas - Ciclo de Kerbs - Fosforilação Oxidativa

22 Metabolismo Quimiorganotrófico Respiração aeróbica: - Vias Glicolíticas: clivagem da glicose - Via Embden-Meyerhof - Entner-Doudoroff - Via das Pentoses-fosfato - Ciclo de Krebs - Fosforilação Oxidativa

23 Metabolismo Quimiorganotrófico Respiração aeróbica: - Vias Glicolíticas: clivagem da glicose - Via Embden-Meyerhof (eucariotos e procariotos) Glicose 2 ATP + 2 NADH + 2H Piruvato - Entner-Doudoroff Glicose ATP + NADPH + H + + NADH + H Piruvato - Via das Pentoses-fosfato Glicose ATP + 2 NADPH + 2H + + CO 2 + Pentose-fosfato

24 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 Piruvato

25 Metabolismo Quimiorganotrófico Respiração aeróbica: - Ciclo de Krebs: - Segunda etapa da respiração de procariotos e eucariotos - Ciclo dos ácidos tricarboxílicos ou ciclo do ácido cítrico

26 Metabolismo Quimiorganotrófico Respiração aeróbica: - Fosforilação Oxidativa: - Última etapa da respiração - Quando ocorre a síntese de ATP por meio de fosforilação por transporte de elétrons

27 Metabolismo Quimiorganotrófico Resumo da respiração

28 Metabolismo Quimiorganotrófico Respiração anaeróbica:

29 Metabolismo Quimiorganotrófico Fermentação: Oxidação parcial do composto orgânico. É um metabolismo anaeróbico: ocorre na ausência de O 2. O aceptor de elétrons é a própria molécula orgânica.

30 Metabolismo Quimiorganotrófico Fermentação: Metanogênese: ocorre em ambientes onde bactérias liberam substratos orgânicos como acetato, que são fermentados por arqueas, gerando CH 4. Processo é considerado fermentação, pois o acetato não é completamente oxidado a CO 2. Metanogênise acetoclástica e metilotrófica (metanol).

31 Metabolismo Quimiorganotrófico Comparação respiração X fermentação

32 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. Ex.: Rio Tinto- bactérias oxidantes de Fe 2+

33 Metabolismo Quimiolitotrófico Bactérias oxidantes de ferro Rusticianina: ptn periplasmática

34 Metabolismo Quimiolitotrófico Outros metabolismos quimiolitotróficos e seu rendimento energético

35 Metabolismo Quimiolitotrófico Outros metabolismos quimiolitotróficos e seu rendimento energético

36 Metabolismo Quimiolitotrófico Metanogênese: Grupo de procariotos que utiliza H 2 como doador de elétrons e CO 2 como aceptor. Metanogênese: 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O

37 Metabolismo Quimiolitotrófico Nitrificação: Oxidação da amônia a nitrato. Ocorre em 2 etapas: - Amônia Nitrito: Nitrosomonas amônia mo-oxigenase: NH3 hidroxilamina :hidroxilamina oxirredutase: hidroxilamina nitrito - Nitrito Nitrato: Nitrospira nitrito oxirredutase Processo aeróbico

38 Metabolismo Quimiolitotrófico Anamox: Reação de oxidação anaeróbica da amônia. Realizada por um grupo específico de bactérias. Planctomyces- possuem compartimentos envoltos por membrana NH NO 2 - N 2 + 2H 2 O ΔG = -357 kj Aceptor final de elétrons

39 Metabolismo Fototrófico + Fotolitotroficos: compostos inorgânicos como doadores de elétrons + Fotoorganotróficos: compostos orgânicos como doadores de elétrons

40 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.

41 Metabolismo Fototrófico

42 Metabolismo Fototrófico Principais pigmentos de fotossíntese em bactérias : 1. Clorofilas (fotossíntese oxigênica)* 2. Bacterioclorofilas (fotossíntese anoxigênica)* 3. Carotenoides 4. Ficobilinas * Espectro de absorção específico

43 Metabolismo Fotototrófico 1. Clorofilas: Chl a 680 e 430 nm; 480 carotenoide Bchla 870, 805, 590, 360 nm; 525 e 475 carotenoide

44 Metabolismo Fototrófico

45 Metabolismo Fototrófico 1. Clorofilas: Técnica fundamental para estudo dos microorganismos do ambiente Sergei Winogradsky Coluna de Winogradsky Ecossistema artificial Lodo orgânico Substratos (fonte de C) Carbonato de cálcio Sulfato de cálcio Coexistência

46 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.

47 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.

48 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.

49 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 transferência de luz para o CR

50 Fotossíntese oxigênica Mecanismo de síntese de ATP: Fotofosforilação acíclica ferredoxina

51 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).

52 Fotossíntese anoxigênica Mecanismo de síntese de ATP: Fotofosforilação cíclica P870: CR

53 Aula Prática 26/08/2013

54 Prática 5 Observação microscópica de micro-organismos do ambiente Técnicas de isolamento de micro-organismos: esgotamento Obtenção de cultura pura

55 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).

56 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.

57 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.

58 Prática 5 Tipos de meio Seletivo: componentes adicionados determinados micro-organismos. inibem crescimento de 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.

59 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....

60 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.

61 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.

62 Prática 5 OBJETIVOS DA PRÁTICA Mostrar ao aluno os métodos de obtenção de cultura pura. Treinar o aluno na execução da técnica de isolamento.

63 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 zigzag. Segunda operação: mudar a direção do estriamento para a 2 a região da placa sem tocar nas estrias do primeiro plaqueamento. Terceira operação: mudar a direção do estriamento para a 2 a região da placa sem tocar nas estrias do segundo plaqueamento. Embrulhar as placas e incubar na estufa a 37 o C por no mínimo 24 horas.