Universidade do Estado do Rio de Janeiro Faculdade de Tecnologia Campus Regional de Resende Departamento de Química e Ambiental Microbiologia Industrial METABOLISMO MICROBIANO Profa: Denise Godoy E-mail: [email protected] Conceito Conjunto altamente organizado e complexo de reações bioquímicas, catalizadas e reguladas por enzimas. Estas reações se organizam em seqüências enzimáticas denominadas VIAS METABÓLICAS O metabolismo celular, apesar de ser muito complexo, possui vias metabólicas centrais. Esquematicamente: E1 E2 E3 E4 E5 ABCDEP November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 2 Um grupo de vias metabólicas se assemelha a um mapa rodoviário: Pode haver mais de um caminho que vai de um intermediário a outro. November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 3 November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 4 Metabolismo Microbiano Classificação das vias metabólicas November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 5 Classificação das Vias Metabólicas As vias metabólicas podem ser didaticamente divididas em 2 classes: Reações que liberam energia – CATABOLISMO Reações degradativas Geralmente são reações de hidrólise Reações que absorvem energia – ANABOLISMO November 15 Construção de moléculas – Reações biossintéticas Geralmente são reações de desidratação Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 6 Metabolismo Metabolismo = Catabolismo + Anabolismo Fonte: Lehninger, 1988. November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 7 Metabolismo Microbiano Transferência de energia nas reações metabólicas November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 8 Nas reações químicas a energia é transferida entre as moléculas • O propósito das reações químicas nas células é transferir energia de uma molécula para outra e utilizar a energia armazenada para realizar trabalho. • A energia potencial armazenada nas ligações químicas de uma molécula é denominada energia livre da molécula. November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 9 Transferência e armazenamento de energia nas reações biológicas: November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 10 Transferência e armazenamento de energia nas reações biológicas: ATP–Adenosinatrifosfato Estoca energia das reações catabólicas e as libera quando necessário para as reações anabólicas e outros trabalhos celulares November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 11 Compostos energéticos November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 12 Geração de ATP Mecanismos: Fosforilação em nível de substrato Fosforilação oxidativa Fotofosforilação November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 13 Geração de ATP Fosforilação em nível de substrato O grupo fosfato de um composto químico é removido e adicionado diretamente ao ADP November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 14 Geração de ATP Fosforilação oxidativa Elétrons são transferidos do composto orgânico para um grupo de carreadores de elétrons, que são passados através de uma série de diferentes carreadores a molécula de O2 ou outras moléculas inorgânicas November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 15 Geração de ATP Fosforilação oxidativa November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 16 Geração de ATP Fotofosforilação Conversão de energia luminosa em energia química: ATP e NADPH November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 17 Metabolismo Microbiano Função das enzimas November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 18 Energia de Ativação: É o ingresso inicial de energia para trazer os reagentes a uma posição que lhes permita reagir entre si. November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 19 As enzimas reduzem a energia de ativação das reações: November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 20 As enzimas ligam-se a seus substratos: •São específicas •O nome de uma enzima dá informações sobre sua função November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 21 Algumas enzimas precisam ser ativadas: November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 22 Algumas enzimas necessitam de Cofatores ou Coenzimas: Presença de molécula adicional ou íon. Cofatores inorgânicos: Ca2+, Mg2+ Ligam-se à enzima para que o substrato possa se associar ao sítio de ligação. Coenzimas – cofatores orgânicos: atuam como receptores e carreadores de átomos ou grupos funcionais que são removidos a partir dos substratos durante a reação; não alteram o sítio ativo. November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 23 Influência do pH e da temperatura sobre a atividade enzimática: Alterações na temperatura e no pH podem romper as ligações que mantêm a proteína na sua configuração terciária, causando perda da forma proteica. November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 24 Pequenas mudanças no pH e na temperatura podem aumentar ou diminuir a atividade das enzimas November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 25 Moduladores Químicos Moléculas que ligam-se às enzimas e alteram sua propriedade catalítica Inibidores Competitivos November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 26 Moduladores Alostéricos Ativador Inibidor A taxa de reação torna-se mais rápida November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano A taxa de reação diminui 27 Influência da Concentração da Enzima Influência da Concentração do Substrato November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 28 Metabolismo Microbiano As células regulam suas vias metabólicas November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 29 Controlando a concentração de enzimas Pela produção de moduladores alostéricos e covalentes Isolando enzimas dentro de organelas intracelulares Mantendo uma razão ótima entre ATP e ADP Utilizando duas enzimas diferentes para catalisar reações reversíveis Pela auto-modulação – inibição por retro-alimentação November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 30 Inibição por retro-alimentação O acúmulo do produto Z inibe o primeiro passo da via metabólica. À medida que a célula consome Z em outra reação metabólica, a inibição é removida e a via metabólica volta a funcionar. November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 31 Regulação Enzimática Os pontos de regulação das vias metabólicas são sempre pontos onde a enzima que cataliza a reação em um sentido é diferente da enzima que cataliza a reação no outro sentido, a fim de se permitir uma regulação eficiente. November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 32 Metabolismo Microbiano Reações anabólicas November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 33 Vias anabólicas: Sintetizam polissacarídeos, lipídeos e proteínas A célula deve ter um suprimento adequado de nutrientes orgânicos, bem como energia na forma de ATP November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 34 Gliconeogênese – síntese de glicose November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 35 Síntese de Lipídios November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 36 Metabolismo Microbiano Reações catabólicas November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 37 Catabolismo de Carboidratos Para produzir energia: Respiração celular e fermentação November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 38 Visão geral do metabolismo da glicose em presença de Oxigênio November 15 39 Glicólise: Quebra da glicose (açúcar de 6C) em dois açúcares de 3C November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 40 Metabolismo do Piruvato: Destino do piruvato – metablismo aeróbio November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 41 Ciclo de Krebs: Série de reações bioquímicas em que grande quantidade da energia química potencial da molécula de acetilCoA é liberada passo a passo. Os derivados do ácido pirúvico são oxidados; e as coenzimas são reduzidas November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 42 Cadeia Respiratória ou de Transporte de Elétrons Seqüência de moléculas transportadoras que são capazes de oxidação e redução . Enquanto os elétrons passam pela cadeia há uma gradual liberação de energia, que é utilizada para conduzir a geração de ATP. November 15 Microbiologia Industrial Metabolismo Microbiano 43 •NADH desidrogenase ou complexo I. Em mamíferos é constituído por mais de vinte cadeias polipeptídicas, de muitas das quais não se conhece a função. Este complexo recebe os dois elétrons do NADH+H+ e transfere-os através de agregados de Fe-S para uma molécula lipofílica, a ubiquinona, que se transforma então em ubiquinol. Neste complexo a transferência de elétrons para a ubiquinona libera energia suficiente para transportar prótons (H+) da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar, o que faz diminuir o pH do espaço intermembranar em relação à matriz. • sucinato desidrogenase ou complexo II. É a única enzima do ciclo de Krebs que não se encontra na matriz mitocondrial. Oxida succinato a fumarato, e transfere os dois elétrons para uma molécula de FAD, que é reduzida a FADH2. Posteriormente estes elétrons são transferidos para a ubiquinona, tal como acontece no complexo I. • citocromo bc1 ou complexo III. Recebe os elétrons do ubiquinol produzido pelos complexos I e II, e transfere-os para o citocromo c, uma pequena proteína solúvel presente no espaço intermembranar. • citocromo c oxidase ou complexo IV. Transfere quatro elétrons para o O2, reduzindo-o a duas moléculas de água. Estes elétrons provêm de outras tantas moléculas de citocromo c. Nos complexos I, III e IV a transferência eletrônica libera energia suficiente para transportar H+ da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar. Isto provoca um aumento da concentração de H+ (e do potencial elétrico) no espaço intermembranar, isto é, um maior potencial químico do H+ no espaço intermembranar do que na matriz. No entanto, quando se tem duas soluções de potencial químico diferente separadas por uma membrana, o soluto tem tendência para se deslocar do local onde o seu potencial químico é maior para o local em que o seu potencial químico é menor. Como a membrana interna da mitocôndria é impermeável ao H+, em condições normais a única forma destes prótons voltarem para a matriz é através de uma proteína especial: a ATP sintetase. Esta proteína é constituída por duas partes: um canal intermembranar de prótons (F0) e uma porção voltada para a matriz mitocondrial (F1). A porção F1 é constituída por várias subunidades com diferentes funções, e usa a energia do movimento de prótons de volta à matriz para sintetizar ATP a partir de ADP e Pi. A quantidade de ATP produzida pela ATP sintetase está por isso relacionada com a diferença de concentração de H+ através da membrana. Uma vez que a oxidação do NADH provoca transferência de prótons da matriz para o espaço intermembranar em 3 complexos (I, III e IV) ao passo que a oxidação do FADH2 só provoca essa transferência em dois complexos (III e IV), a quantidade de ATP produzida a partir do NADH é maior do que a produzida a partir do FADH2. São produzidos quase 3 ATP por NADH e quase 2 ATP por cada FADH2. Comparação dos processos metabólicos (vias catabólicas) GLICÓLISE FERMENTAÇÃO CICLO DE KREBS CADEIA RESPIRATÓRIA Localização Citoplasma Citoplasma Procariontes: citoplasma Eucariontes: matriz mitocondrial Procariontes: membrana celular Eucariontes: membranas internas da mitocôndria Exigência de oxigênio Anaeróbica, o oxigênio não é necessário; entretanto, não se interrompe se o O2 estiver presente Sem O2; a presença acarreta paralização Aeróbica Aeróbica Moléculas iniciadoras 1 glicose (6C) Várias moléculas de substrato entram na glicólise, produzindo 2 ácidos pirúvicos 2 ácidos pirúvicos 6 O2 Moléculas finais 2 ácidos pirúvicos (3C); 2 NADH Várias, dependendo da forma de fermentação, por exemplo, etanol, ácido lático, CO2, ácido acético 6 CO2 8 NADH 2 FADH 6 H2O Quantidades de ATP produzidas 4 ATP (saldo de 2 ATP) Várias, dependendo da forma de fermentação, geralmente 2 ou 3 ATP 2 GTP (= 2 ATP) 34 ATP 49
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