QUÍMICA E NUTRIÇÃO DA CÉLULA

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1 SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL Instituto Federal de Alagoas - Campus Piranhas ENGENHARIA AGRONÔMICA NUTRIÇÃO E METABOLISMO Prof. (a): Juliana de Oliveira Moraes Piranhas 2017 QUÍMICA E NUTRIÇÃO DA CÉLULA Macronutrientes Micronutrientes CÉLULA 1

2 Composição química da célula Elementos dominantes e essenciais: Carbono (C) Hidrogênio (H) Oxigênio (O) Nitrogênio (N) Fosforo (P) Enxofre (S) Selênio (Se) Outros 50 elementos, embora em menor quantidade, são metabolizados por microrganismos. Exemplo: ELEMENTO Ferro Manganês Zinco Cobre Boro FUNÇÃO Constituição de enzimas (catalases, nitrogenases) Ativação de enzimas Constituição de proteínas de ligação de DNA Atuam na respiração e fotossíntese Ativador da comunicação entre células (Quorum sensing) Carbono, nitrogênio e outros macronutrientes Carbono Cerca de 50% do peso seco de uma célula é constituída de Carbono; Base dos compostos orgânicos (carboidratos, lipídeos, proteínas) Heterótrofos: seres que necessitam de compostos orgânicos do ambiente; Autótrofos: seres que sintetizam compostos orgânicos a partir de CO 2; Nitrogênio 13% da constituição da célula; Fonte na natureza: amônia (NH 3 ), nitrato (NO - ) e gás nitrogênio (N 2 ) Bactérias fixadoras de nitrogênio: utilizam N 2 2

3 Carbono, nitrogênio e outros macronutrientes Fosforo Síntese de ácido nucleico e fosfolipídios Enxofre Presente em aminoácidos (metionina e cisteína) e vitaminas (tiamina e biotina) Potássio Atividade enzimática Magnésio Estabilização de ribossomos, membranas e ácidos nucleiocos Micronutrientes: metais-traço e fator de crescimento Elementos traços ou metais-traços: nutrientes inorgânicos (metais) que os microrganismos* requerem em menor quantidade. Elemento mais requerido produção de energia (transporte de elétrons) Fatores de crescimento: micronutrientes orgânicos requeridos pelos microrganismos*. Aminoácidos Vitaminas (coenzimas) 3

4 Meios e Cultura de laboratório MEIO DE CULTURA: uma mistura de nutrientes utilizada para promoção de crescimento de microrganismos em laboratório (in vitro). Classes de Meios de Cultura: Meios definidos Meios Complexos Meios enriquecidos Meios Seletivos Meios diferenciais Composição química exatamente definida (quantitativa e qualitativamente) Composição não é precisamente definida Meios complexos adicionados de substâncias adicionais altamente nutritivas, a citar: soro e sangue. Usados para isolamento de microrganismos fastidiosos (exigentes). Possuem compostos que inibem uma grupo em particular de microrganismos Recebe a adição de um indicador (corante) que indicará a ocorrência de determinada reação química durante o crescimento microbiano. 4

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6 Tipos de Meios de Cultura Classificados quanto ao estado físico: Sólidos: Contém agentes solidificantes, principalmente ágar (cerca de 1,5 a 2,5 %); Semi-sólidos: Quantidade de ágar e ou gelatina é de 0,075 a 0,5 %, Consistência intermediária, de modo a permitir o crescimento de microrganismos em tensões variadas de oxigênio ou a verificação da motilidade e também para conservação de culturas; Líquidos Sem agentes solidificantes, apresentando-se como um caldo, utilizados para ativação das culturas, repiques de microrganismos, provas bioquímicas, 6

7 Necessidades nutricionais e Cultivo Microrganismos diferentes podem exibir exigências nutricionais extremamente distintas. Os meios de cultura sólidos imobilizam as células, permitindo que elas cresçam e originem massa isoladas e visíveis (Colônias). As colônias pode exibir varias formas e vários tamanhos, dependendo do organismos das condições de cultivo, nutrientes, fornecidos. Culturas puras x culturas mistas ou contaminadas. REAÇÕES ENERGÉTICAS E ENZIMÁTICAS 7

8 Metabolismo Metabolismo é a soma de todas as reações químicas que ocorre dentro de um ser vivo Catabolismo Anabolismo Quebra de moléculas orgânicas complexos em moléculas simples Construção de moléculas orgânicas a partir de moléculas simples. Liberam energia (exergônicas) Requerem energia (endergônica) Energética básica - conceitos ENERGIA LIVRE: energia liberada após uma reação acontecer. Reações exergônicas: liberam energia quando ocorrem Reações endergônica: requerem energia para ocorrer ENERGIA DE ATIVAÇÃO: energia necessária para que ocorra a quebra de uma ligação química. Tornando as moléculas que participam da reação em um estado reativo. VELOCIDADE DA REAÇÃO Catalizadores/enzimas São substancias que reduzem a energia de ativação de uma reação, aumentando a velocidade da reação. Facilitam a reação, porém não são consumidos nem transformados Enzimas: proteínas altamente especifica quanto a reações que catalisam Só catalisam reações especificas (estrutura tridimensional) sítio ativo 8

9 Enzimas e reações químicas CONCEITOS BÁSICOS: Catalizadores Enzimas são catalizadores de reações químicas, ou seja, são aceleradores de reações Aumentam a taxa de reação (velocidade) Diminuem a energia de ativação (energia necessária para que ocorra uma reação) Substrato Molécula que sofrerá a atuação da enzima Sítio ativo região da enzima que combina/interage quimicamente com o substrato Especificidade As enzimas somente atuam sobre substratos específicos, isso se deve a conformação molecular da enzima e, mais especificamente, do sítio ativo da enzima. Número de turnover Número máximo de moléculas de substrato que a molécula de enzima converte em produtos em cada segundo 9

10 Enzimas - Nomenclatura Sufixo ASE Classificadas em 6 classes: Classes Oxirredutases Transferases hidrolases Liases Isomerases Ligases Descrição Oxidação-redução em O e H - elétrons são perdidos ou ganhos Transferência de grupos funcionais como grupo amina, grupo acetil e grupo fosfato Adição de moléculas de água (hidrolise) Remoção de grupos de átomos sem hidrolise Rearranjo de átomos de uma molécula. União de duas moléculas Enzima - cofator Cofator: Componente não proteico que compõe a estrutura da enzima Coenzima: Cofator de natureza inorgânica Coenzimas mais conhecidas Derivados de vitamina A Coenzima A Derivados da vitamina B NAD+ = nicotinamida adenina dinucleotídeo NADP+ = nicotinamida adenina mononucleotideo FAD+ = flavina adenina dinucleo FAM = Favina adenina mononucleotídeo 10

11 Mecanismos da ação enzimática 2. Contato substrato/en zima 1. Enzima segue inalterada para outra reação Formação do complexo enzimasubstrato 3. Liberação dos produtos da reação 5. Modificação do substrato (cata/anaboli smo) 4. 11

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13 Enzimas fatores que influenciam a atividade enzimática Temperatura ph Concentração do substrato Inibidores Faixa de temperatura Temperatura ótima Faixa de ph Relação substrato/enzima s (velocidade de reação) Substâncias que podem se ligar a enzimas Competidores (atuam sobre o sítio ativo) Desnaturação temp. elevadas ph ótimo Saturação da enzima Não competidores (mudam a conformação da enzima e sitio ativo) Inibição retroalimentar: quando o composto final inibia a ação da enzima nas etapas iniciais de um ciclo metabólico ou de biossíntese. Evita que célula produza mais substância do que o necessário. VIAS METABOLICAS E REAÇÕES REDOX 13

14 Reação Redox A energia gerada de uma reação química é conservada pela célula na forma de uma molécula altamente energética, ATP. Reações que liberam energia suficiente para formação de ATP é chamada reação de oxidação-redução (redox). Oxidação: remoção de um ou mais elétrons de uma molécula Redução: adição de uma ou mais elétrons de uma moléculas Para que uma molécula ser oxidada uma outra deve ser reduzida. Doadores de elétrons (substância oxidada) Receptores de elétrons (substância reduzida) Potencial redox = tendência de doar ou receber elétrons Compostos ricos em energia - geração de ATP Fosforilação: adição de um grupo fosfato a um composto químico. A fosforilação de três tipos: Fosforilação em nível de substrato Fosforilação oxidativa Fotofosforilação 14

15 Fosforilação de Substrato Quando o substrato doa o grupo fosfato para um ADP, e respectivamente, gera um ATP. Fosforilação oxidativa Elétrons transferidos para compostos orgânicos/grupo de carreador de elétrons. Os elétrons são transferidos ao longo de uma serie de carreadores diferentes. 15

16 A energia liberada das reações de redox devem ser conservadas pelas células para gerir atividades celulares de demandam energia. Compostos de reserva: compostos fosforílados ATP moeda de troca energética ATP é uma molécula dinâmica, ele é continuamente clivado para conduzir reações de anabólicas, sendo resintetizados á custa de reações catabólicas. Reserva a longo prazo: polímeros insolúveis (glicogênio, enxofre elementar), que podem ser catabolizados para posterior produção de ATP. Energia de manutenção; quebra de amido e lipídeos simples. Coenzima A Ligação tioéster Quando hidrolisada gera energia livre suficiente para promover a síntese de uma molécula de ATP. ATPase Complexo proteico que permite a reação reversivel de ADP + P e ATP. 16

17 DOADORES E RECEPTORES DE ELÉTRONS Reação redox As reações de redox em células microbianas são mediadas por moléculas pequenas Mais comum: coenzima nicotinamida adenina de nucleotídeo NAD+ - forma oxidada, NADH forma reduzida 17

18 Carreadores de elétrons NADH desidrogenase Flavoproteínas Quinonas Citocromo Outras proteínas com grupamento de Fe e S CLASSIFICAÇÃO ENERGÉTICA 18

19 Classes energéticas fonte de energia Quimiotróficos Obtenção de energia por compostos químicos Quimiorganotróficos Obtenção de energia por compostos químicos ORGÂNICOS Quimiolitotróficos Obtenção de energia por compostos químicos INORGÂNICOS Classes energéticas - oxigênio Aeróbios Microrganismos que obtêm energia de compostos orgânicos somente na PRESENÇA de oxigênio Anaeróbios Microrganismos que obtêm energia de compostos orgânicos somente na AUSÊNCIA de oxigênio 19

20 Classes energéticas Fototróficos Possuem pigmentos que permite a obtenção de energia através da luz. Fonte de Carbono CO2 Fotossíntese oxigênica Há produção de oxigênio Cianobactérias (procariotos) e algas (eucariotos) Fotossíntese anoxigênica Não há produção de oxigênio Bactérias purpuras e verdes Classes energéticas Autotróficos Obtenção do carbono através de CO2 Heterotróficos Obtenção do carbono através de compostos orgânicos Todo organismo heterotrófico é quimiorganotrófico 20

21 FERMENTAÇÃO E RESPIRAÇÃO 21

22 Respiração Glicólise Oxidação da glicose a ácido piruvico ATP e NADH Ciclo de Krebs Oxidação da Acetil-CoA em CO2 ATP, NADH E FADH2 Cadeia transportadora de elétrons Reação em cadeia de oxiredução (carredaores) 38 ATP Fermentação Glicólise Ácido pirúvico Etanol Ácido lático Ácido acético Ácido butírico Ácido propiônico 2 ATP 22

23 Estratégias de conservação de energia Fermentação Catabolismo anaeróbico Composto orgânico: doador e receptor de elétrons Respiração Catabolismo anaeróbico ou aeróbio Composto orgânico é oxidado por O 2 ou um substituto 23

24 Fermentação Respiração Respiração O 2 Nitritos, Nitratos, Ferro férrico, Sulfatos e carbonatos Respiração aeróbica Respiração anaeróbica Glicose Glicose 38 ATP Liberação de CO2 e H20 36ATP Liberação de CO2 e H20 24

25 VIAS METABOLICAS Catabolismo de carboidratos A maioria dos microrganismo tem os carboidratos como fonte prioritária de energia. Para conversão de glicose em energia os microrganismos fazem uso de duas vias metabólicas: Fermentação Catabolismo anaeróbico Composto orgânico: doador e receptor de elétrons Respiração Catabolismo anaeróbico ou aeróbio Composto orgânico é oxidado por O 2 ou um substituto Em ambas as vias se faz necessárias reações de oxidação e redução (reação redox). 25

26 Catabolismo de Proteínas e lipídeos PROTEÍNAS São moléculas muito grande para passar pela membrana, São liberadas enzimas extracelulares (protease e peptidases) Somente assim os aminoácidos poderão entrar na célula e participar da ciclo de Krebs LIPIDEOS Enzimas (lipases) Quebram gordura em sua moléculas básicas: Glicerol e ácidos graxos Assim o glicerol e os ácidos graxos podem entrar no ciclo de Krebs BIOSSÍNTESE 26

27 Biossíntese de Polissacarídeos Os átomos de carbono requeridos para formar glicose são derivados dos intermediários produzidos durante processos como a glicólise e ciclo de Krebs. Para formar moléculas complexas de glicose, como o glicogênio, moléculas de glicose devem ser fosforiladas. Após a fosforilação da glicose é formado a glicose 6-fosfato. glicose 6-fosfato + ATP = ADPG (adenosina-difosfoglicose) ADPG se liga a outras para formar o glicogênio. Função: reserva de energia Glicose Glicose-6 fosfato ADPG Glicólise ATP Glicose ADPG* GLICOGÊNIO Glicose-6- fosfato ATP Frutose-6- fosfato ADPNAc** PEPTIDEOGLICANO Ácido pirúvico * adenosina-difosfoglicose ** uridina-fosfoglicose 27

28 Biossíntese de Lipídeos As células precisam de glicerol e ácido graxos para formar lipídeos. A célula consegue esses componentes através: Ácidos graxos = fragmentos de acetil-coa Glicerol = intermediário da glicólise (diidroxiacetona-fosfato) Função na célula: composição da membrana Composição da parede celular Pigmentos = carotenoides/clorofila Estoque de energia Glicose Gliceraldeido-3- fosfato Diidroxiacetonafosfato Frutose-6-fosfato Ácido pirúvico Glicerol Lipídeos Acetil-coA Ácido graxos Ciclo de Krebs 28

29 Biossíntese de aminoácidos e proteínas Fonte direta (do ambiente) e indireta (produzem a partir de moléculas intermediárias). Adição de grupo amino ao ácido pirúvico ou ácido orgânico. Aminação (adição de grupo amino) Transaminação (grupo amino de outro aminoácido) Vias anfibólicas Glicólise Compostos intermediários Anabolismo Metabolismo Acetil-coA Ciclo de Krebs Catabolismo 29

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