Metabolismo Microbiano ENA 2013
-
Upload
lucas-hernandes -
Category
Documents
-
view
47 -
download
15
Transcript of Metabolismo Microbiano ENA 2013
Metabolismo Microbiano
Produção de Energia e Biossíntese
Diversidade Microbiana
Produção de energia
• Requerimentos de energia:
»Síntese dos componentes celulares: parede, membrana, etc.
»síntese de enzimas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, fosfolipídios
»reparos e manutenção da célula
»crescimento e multiplicação
»acumulação de nutrientes e excreção de produtos indesejáveis
»motilidade
Diversidade Metabólica Microbiana
(classificação nutricional)
energia é
retirada de
moléculas
químicas
energia é
proveniente
da luz
Compostos que armazenam energia
Mais importante nos seres vivos
O grupo fosfato é adicionado a algum
intermediário tornando-se de alta
energia que pode ser transferido ao
ADP.
Reações OXI-RED internamente
balanceadas: alguns átomos do
substrato tornam-se mais oxidados,
enquanto outros mais reduzidos
•FOSFORILAÇÃO EM NÍVEL DE SUBSTRATO: O grupo fosfato de um composto químico é removido e adicionado
diretamente ao ADP
Produção de ATP pelos Micro-organismos
A Fosforilação oxidativa envolve uma cadeia de transporte de elétrons (CTE - série de reações integradas):
• sistema O/R: próximo membro do sistema tem maior capacidade para receber elétrons • doador (O/R)1 (O/R)2 (O/R)3 (O/R)4 aceptor
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA: A energia liberada pela oxidação de compostos químicos é utilizada na síntese de ATP
Produção de ATP pelos Micro-organismos
Organização do complexos protéicos na membrana fotossintética de uma bactéria fototrófica. O gradiente de prótons gerado pela luz é utilizado na síntese de ATP, catalisada pela ATP sintase.
FOTOFOSFORILAÇÃO:
A energia da luz é utilizada para a síntese de ATP
Produção de ATP pelos Micro-organismos
Vias de degradação de nutrientes para produção energia
Vias de degradação de nutrientes para produção energia (metabolismo primário)
• Vias catabólicas
Glicólise (imp: formação do Piruvato) – Fermentação – Respiração aeróbia – Respiração anaeróbia
Todas as vias também fornecem precursores para a biossíntese
O Piruvato pode seguir 3 rotas metabólicas:
• organismos aeróbicos RESPIRAÇÃO AERÓBICA
– Piruvato é oxidado, perdendo CO2;
– Acetil CoA - ciclo do ácido cítrico - é então totalmente oxidado a CO2;
– Os elétrons originados são passados para o O2 - cadeia transportadora formando H2O.
– A energia liberada nas reações de transferência de elétrons permite a síntese de ATP nas mitocôndrias.
• organismos anaeróbicos: possuem 2 rotas – Redução do piruvato a lactato através da fermentação do ácido
lático.
– Metabolismo do piruvato, tendo como produto o etanol (fermentação alcoólica)
Respiração Aeróbia
• reações de oxidação e redução em presença de um aceptor de elétrons (OXIGÊNIO)
• A molécula inteira do substrato é oxidada
• alto potencial de energia
• grande quantidade de ATP é gerada
• Glicólise CK CR ATP
Respiração Anaeróbia
• aceptor final de elétrons diferente do O2
• oxidação de substratos orgânicos ou inorgânicos: NITRATOS, SULFATOS E CARBONATOS
– C6H12O6 + 12 NO3- 6CO2 + 6H2O + 12NO2
-
– 2 lactato + SO4= + 4H+ 2 acetato + 2CO2 + S= + H2O
A respiração anaeróbia restrita, exclusividade dos procariotos, só ocorre
em ambientes onde o oxigênio é escasso ou nulo, como nos sedimentos
marinhos e lacustres ou próximo de nascentes hidrotermais submarinas.
Rendimento: mais baixo que a respiração aeróbica, somente uma parte do CK
funciona sob condições anaeróbias e nem todos os transportadores participam
da cadeia.
Respiração Anaeróbica
• Pseudomonas e Bacillus: podem utilizar o íon nitrato (NO-3) como aceptor
final de elétrons. O íon nitrato é reduzido a íon nitrito (NO2-), oxido nitroso
(N2O) ou gás nitrogênio (N2). • Desulfovibrio e Desulfotomaculum: utilizam sulfatos (SO4
2-) como aceptor final de elétrons; oxidação por ex de sulfeto de hidrogênio (H2S).
• Bactérias metanogênicas: utilizam carbonato (CO3
2-) para formar metano (CH4).
Nenhum desses aceptores são eletropositivos quanto o O2/H2O.
Assim, menos energia é liberada.
Em contrapartida, o uso desses aceptores alternativos permitem os micro-organismos respirarem na ausência de O2, com grande importância ecológica.
FERMENTAÇÃO
• 1- CONCEITO BIOQUÍMICO: degradação anaeróbia de
compostos orgânicos (glicose), através de processos que
independem de outras vias, por serem capazes de
regenerar as coenzimas que são utilizadas para a
produção de ATP
• 2- CONCEITO BIOTECNOLÓGICO: processo de obtenção de
um produto de origem microbiana através de um
processo controlado
Fermentação Homolática: somente produção de ácido lático
ou
Fermentação Heterolática: mais produtos além de ácido lático
Fermentação Alcóolica
Fermentação Láctica
COMPARAÇÃO ENTRE RESPIRAÇÃO AERÓBICA,
ANAERÓBICA E FERMENTAÇÃO
Processos de
Produção de
Energia
Condições de
Crescimento
Aceptor Final de
Hidrogênio
(elétrons)
Tipo de
Fosforilação
Utilizada para
Gerar ATP
Moléculas de
ATP Produzidas
por Molécula de
Glicose
Respiração
Aeróbica
Aeróbica Oxigênio
molecular
Em nível de
substrato e
Oxidativa
36 ou 38
Respiração
Anaeróbica
Anaeróbica Geralmente uma
substância
inorgânica (NO3-
SO42-)
Em nível de
substrato e
Oxidativa
Variável (menor
que 38 mas maior
que 2)
Fermentação Aeróbica ou
Anaeróbica
Molécula
orgânica
Em nível de
substrato
2
Produção de substâncias/processos
de interesse biotecnológico
Nutrição e Metabolismo Microbiano (primário ou secundário)
IMPORTANTE: PROCESSOS DE OBTENÇÃO DE
ENERGIA PODEM SER UTILIZADOS PARA PRODUÇÃO
DE SUBSTÂNCIAS DE INTERESSE
Metabolismo Secundário • Bactérias, fungos, algas
• Ocorre durante fase estacionária de crescimento
• Aeróbicos, anaeróbicos (facultativos e restritos)
• Necessárias: enzimas biossintéticas específicas (plasmidiais ou cromossomais)
• Produto de interesse: produção constitutiva ou indutiva
• Acúmulo e excreção para o ambiente
• Produtos de interesse industrial, ambiental (Aplicação) – enzimas extracelulares: celulases, hemicelulases, lacases
– Antibióticos: penicilinas, eritromicinas
– Exopolissacarídeos: xantana, gelana, esquizofilana
PROCESSO FERMENTATIVO PARA APLICAÇÃO BIOTECNOLÓGICA É DEPENDENTE:
SUBSTRATO (fonte nutricional)
E
MICRO-ORGANISMO
Substrato:
• Matérias-primas são utilizadas como fonte(s) de substrato(s) e outros nutrientes para o processo fermentativo, agrupadas em função da estrutura e da complexidade molecular dos substratos.
Micro-organismos:
• Isolados a partir de recursos naturais
• Obtenção em coleções de cultura
• Obtenção de mutantes induzidos por métodos convencionais;
• Obtenção de recombinantes por técnicas de engenharia genética
Para aplicação: elevada eficiência na conversão do substrato em produto;
não produzir substâncias incompatíveis com o produto;
apresentar constância quanto ao comportamento fisiológico;
não ser patogênico;
não exigir condições de processo muito complexas;
não exigir substratos dispendiosos;
permitir a rápida liberação do produto para o meio.
• FERMENTAÇÃO SUBMERSA: Processo fermentativo no qual todos os nutrientes utilizados pelos microrganismos estão dissolvidos e uniformemente distribuídos no meio.
• FERMENTAÇÃO ESTADO SÓLIDO: a cultura de micro-organismos sob ou no interior de partículas em matriz sólida (arroz, trigo, cevada, milho e soja; resíduos agro-
industriais e florestais como bagaço de cana-de-açúcar, sabugo de milho, farelo de trigo e palha de arroz);
Alguns Usos Industriais para Diferentes Tipos de Fermentação
Produto Final da
Fermentação
Uso Industrial ou
Comercial
Material Inicial Microrganismo
Etanol
Cerveja Extrato de Malte
Saccharomyces
cerevisiae
Vinho Uva ou outros sucos
de Frutas
Combustível Refugos Industriais
Ácido Ácético Vinagre Etanol Acetobacter
Ácido Lático
Queijo, Iogurte Leite Lactobacillus,
Streptococcus
Pão de centeio Grão, açúcar
Lactobacillus Chucrute repolho
Salsicha, linguiça Carne
Ácido propiônico e
dióxido de carbono
Queijo Suíço Ácido Lático Propionibacterium
freudnreichii
Acetona Usos farmacêutico e
industrial
Melaço de cana Clostridium
acetobutylicum
Glicerol Usos farmacêutico e
industrial
Melaço de cana Saccharomyces
cerevisiae
Ácido Cítrico Sabor Melaço de cana Aspergillus
Metano Combustível Ácido Ácético Methanosarcina