Metabolismo e Processos Microbianos
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Metabolismo e Processos Microbianos
CCB / MIP
Pós-graduação em AgroecossistemasDisciplina: Ecologia Microbiana
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1. Introdução Metabolismo:
• toda a atividade química realizada por um organismo e seu maquinário.
São de 2 tipos:• aquelas que liberam E = exergônicas -
catabólicas• aquelas que utilizam E = endergônicas -
anabólicas• E = capacidade de realizar trabalhoquímicaluminosa
E
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Requerimentos de energia:
2. Produção de Energia (E)
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Sistema dearmazenamentoe transferência
de E
Componentes celularescomo proteínas (enzimas),DNA, RNA, carboidratos,
lipídeos, etc.
Produtos da degradaçãoservem como unidades
para a produção decompostos celulares
SínteseCompostos e
estruturas
Degradação
Quebra desubstratos ou
nutrientes
E liberadaE requerida
Crescimento celular,reprodução, manutençãoe movimento
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Tipos de energia
Energia química – energia contida em ligações químicas das moléculas
Energia radiante (energia da luz) – deve ser convertida em energia química
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Classificação dos microrganismos de acordo com a fonte de energia e carbono
Tipo fisiológico Fonte de Energia Fonte de Carbono
Foto Luz
Quimio Química
Organotrófico/heterotrófico Moléculas orgânicas
Autotrófico/litotrófico Moléculas inorgânicas
Fotoautotrófico = plantas, cianobactérias, algas verdesFotoorganotrófico/hetero = bactérias púrpuras, exceto as abaixoFotolitotróficas = bactérias púrpuras metabolizantes do S
Quimioautotrófico = Archaea metanogênicasQuimiorganotrófico/hetero = maioria bactérias e fungosQuimiolitotrófico = bactérias nitrificadoras
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Rotas Metabólicas para Aquisição de Energia, Força Redutora e Intermediários de Carbono para Biossíntese
Moreira & Siqueira, 2006
Quanto à força redutora
Quanto a Fonte de Energia
Quanto a fonte de Carbono para o
Anabolismo
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Processos do Fluxo de Energia, Carbono e Nutrientes no Sistema Solo-Planta-Organismos
Moreira & Siqueira, 2006
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Produção de Compostos Intermediários que Integram os Processos Bioquímicos dos Organismos Autotróficos e Heterotróficos
Moreira & Siqueira, 2006
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2. Enzimas• Catalisadores das reações• Aumentam as velocidades de reação de 108 a 1020 vezes• Tem sítios ativos de ligação do substrato• Podem conter outras moléculas acopladas
• Grupos prostéticos – grupo heme dos citocromos é um exemplo• Coenzimas – derivadas de vitaminas (NAD+/NADH)
• Terminação ase ao seu substrato• Celulase: degradam celulose• Glicose-oxidase: catalisa a oxidação da glicose• Ribonuclease: decompõe acido ribonucleico• Lisozima: cliva o peptideoglicano
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Catalise e enzimas
Reação exergônica
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COMPLEXO ENZIMA-SUBSTRATO
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Enzimas do Solo
São proteínas com ação catalítica e alta especificidade funcional que
viabilizam reações que sustentam o metabolismo celular.
Origem: microrganismos, plantas e animais
Classificação:• Quanto ao local de atividade
- Extracelulares- Intracelulares
• Quanto à posição de ataque no polímero- Exoenzima- Endoenzima
Características:- Alta especificidade de reação- Não são consumidas na reação- Sujeitas à indução, ativação, inibição, desnaturação e biodegradação- Alta resistência (alta estabilidade térmica e resistência ao ataque de proteases)
SKmSVV
.max
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Importância das Enzimas no Solo• Decomposição de resíduos orgânicos;
• Fertilidade do Solo: As enzimas têm participação essencial no ciclo dos nutrientes. Adubação orgânica, rotação de culturas e presença de vegetação (rizosfera) favorecem a atividade enzimática, podendo ter correlação positiva com produtividade ou qualidade do solo;
• Eficiência no uso de fertilizantes: Ex. A urease é necessária para o aproveitamento do N. Porém aplicações incorretas de fertilizantes a base de uréia aumentam as perdas de N por volatilização;
• Índices Enzimáticos Indicadores de Qualidade (Há a necessidade de pesquisas para estabelecer se estes índices têm aplicações agronômicas)
• Indicadores:- Interações entre plantas- Estado de oxi-redução do solo- Estratificador ecológico- Indicador qualidade do solo/presença de poluentes
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3. Metabolismo Microbiano“Metabolismo se refere à obtenção de C e energia para
crescimento celular, manutenção e sobrevivência”
MetabolismoCentral
Metabolismo Degradativo- Liberação de energia
(catabolismo)
Metabolismo de Síntese- Consumo de energia
(anabolismo)
Processos simultâneos, controlados geneticamente (enzimas) e por fatores externos
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Compostos ricos em energia: armazenamento e transferência de
energia (imediata) ATP = adenosina trifosfato
ADP = adenosina difosfato
Fosfoenolpiruvato
Glicose-6-fosfato
Coenzimas: Acetil CoA, NAD, NADH, NADPH
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Armazenamento de energia
(Madigan et al., 2010)
Ligacoes tioéster
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Mecanismos para conservação de energia(Síntese de ATP)
Os quimiotróficos apresentam dois mecanismos conhecidos:
1. Respiração: atuam aceptores externos de elétrons (fosforilação oxidativa)Podendo ser:
a) Aeróbia: o aceptor externo é o oxigêniob) Anaeróbia: aceptores diferentes do oxigênio (nitrato, sulfato,
carbonato, ...)
2. Fermentação: ocorre na ausência de aceptores externos de elétrons (fosforilação a nível de substrato)
1a) Respiração aeróbia É o procedimento mais comum às células e compreende 3 etapas:
1) Piruvato (glicólise quando o substrato é a glicose)2) Ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs)3) Cadeia respiratória
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Características:
1. Oxidação parcial da glicose a piruvato
2. Pequena quantidade de ATP é gerada (produção líquida de 2 ATP)
3. Pequena quantidade de NAD é reduzida a NADH
1ª etapa: Piruvato (via glicolítica)É considerada a via metabólica mais primitiva, presente em todas as formas de vida atuais.Ocorre no citoplasma das células.
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Produção direta de 1 GTPguanosina trifosfato (equivalente ao ATP)
Além do papel-chave nas reações catabólicas, é importante nas reações biossintéticas.Os intermediários são desviados para vias biossintéticas quando necessário:
Exemplos:
Oxalacetato: precursor de aminoácidos
Succinil-CoA: formação de citocromos e da clorofila, entre outros
Acetil-CoA: biossíntese de ácidos graxos
2ª etapa: Ciclo de KrebsOcorre no citoplasma (procariotos) e nas mitocôndrias (eucariotos).
Reações preparatórias: formação de composto chave do processo
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3ª etapa: Cadeia respiratória (sistema de transporte de elétrons)Ocorre ao nível da membrana das mitocôndrias (eucariotos) e na membrana citoplasmática (procariotos)
Os prótons e elétrons recolhidos na glicólise pelo NAD
e no Ciclo de Krebs pelo NAD e FAD são transportados
ao longo de uma cadeia de citocromos em níveis
sucessivamente mais baixos de energia de modo que
seja melhor aproveitada na formação de ATP.
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Geração da força protomotiva
Fosforilação oxidativa
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As 3 etapas da via respiratória
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Síntese da respiração aeróbia
• Reações de oxidação e redução em presença de um aceptor de elétrons externo, o O2
• A molécula inteira do substrato é oxidada até CO2
• Alto potencial de energia• Grande quantidade de ATP pode ser gerada: teoricamente até 38 ATPs
Produção de ATP:
Na cadeia respiratória:4 NADH formados na glicólise geram 12 ATP
6 NADH formados no ciclo de Krebs geram 18 ATP
2 FADH formados no ciclo de Krebs geram 4 ATP
Formação direta na Glicólise 2 ATP
Formação direta no Ciclo de Krebs 2 GTP
Total de até .................................................... 38 ATP
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1b) Respiração anaeróbia
É uma variação alternativa da respiração aeróbia: o aceptor de elétrons não é o
oxigênio.
• Uma implicação é o rendimento energético inferior: nenhum aceptor alternativo
apresenta potencial tão oxidante quanto O2.
• O uso de aceptores alternativos permitem os microrganismos respirarem em
ambientes sem oxigênio, sendo de extrema importância ecológica.
• Oxidação de substratos orgânicos ou inorgânicos:
C6H12O6 + 12 NO3- 6CO2 + 6H2O + 12NO2
-
2 lactato + SO4= + 4H+ 2 acetato + 2CO2 + S= + H2O
• Quantidade de energia produzida é menor
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2. Fermentação (também é uma forma de respiração anaeróbia. Ocorre no citossol)
Reação de oxidação-redução internamente balanceada. Ausência de aceptores externos.
A concentração de NAD+ nas células é baixo, precisando ser re-oxidado para não cessar a via glicolítica.
A redução do piruvato a etanol ou outros produtos restabelece o NAD e permite a continuidade da glicólise .
Produção líquida de apenas2 ATP.
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Características da Fermentação:
Ácido pirúvico é reduzido a ácidos orgânicos e álcoois
NADH é oxidado a forma NAD: essencial para operação
continuada da via glicolítica
O2 não é necessário
Não há obtenção adicional de ATP.
Gases (CO2 e/ou H2) podem ser produzidos
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Maior potencial oxidante(receber e-)
Maior potencial redutor(fornecer e-)
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Crescimento Microbiano em Relação ao Consumo de Substrato, Geração de Energia, Produtos Metabólicos e Biomassa
mxygx
dtds
Taxa crescimento específico
BiomassaproduzidaCrescimento
real AH2 +B BH2 + A (Bio-oxidação) AH2 – substrato reduzido (material orgânico a ser oxidado) B – aceptor de elétron ou de H+
BH2 – substância reduzida formada A – produto oxidado
Desidrogenação Perdas de e-
- Aerobiose = O2 como aceptor de e-
- Anaerobiose = Formas inorgânicas
de N, S, C e metais.
Depende da taxa de decomposição e eficiência de conversão do carbono em biomassa (ver tabela 4.2)
Moreira & Siqueira, 2006
Coeficientemanutenção
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4. Os Processos Microbianos e a Manutenção dos Ecosistemas
- Os organismos do solo são responsáveis direta ou indiretamente por processos
bioquímicos diversos que controlam as transformações dos elementos químicos e
transferências de energia no sistema solo-planta-atmosfera
Base de sustentação e produtividade dos ecossistemas terrestres em equilíbrio
“Processos - sequência de reações através das quais se realizam transformações da matéria”
- No solo ocorrem inúmeros processos com alto grau de complexidade, sendo os mais
importantes os bioquímicos, resultantes principalmente da atividade dos organismos
microscópicos que crescem neste ambiente
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Processos Biológicos do Solo: Suas Inter-relações e Funções no Ecossistema
Siqueira & Trannin, 2003
![Page 33: Metabolismo e Processos Microbianos](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062814/568166f0550346895ddb4ccb/html5/thumbnails/33.jpg)
5. Biomassa Microbiana
Parte viva da matéria orgânica do solo, composta por todos os organismos
menores que 5.10-3 m3 – Fungos, bactérias actinomicetos, leveduras e
microfauna (protozoários)
- Cerca de 98% do C-orgânico do solo é matéria orgânica morta
- 2% do C-orgânico do solo é composto pela fração viva.
5 a 10% - Raízes
15 a 30% - Macrofauna
60 a 80% - Microrganismos
(1 a 5% da MOS total)BIOMASSA
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Moreira & Siqueira, 2006
Transformações e Ciclagem de C, N, P e S no Sistema Solo-Planta Mediados pela Microbiota do Solo
![Page 35: Metabolismo e Processos Microbianos](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062814/568166f0550346895ddb4ccb/html5/thumbnails/35.jpg)
Características da Biomassa Microbiana• Muito dinâmica, responsável por grande parte da atividade biológica do solo;
• Catalisa as transformações bioquímicas, representando fonte e dreno de C e troca de nutrientes entre a atmosfera e o ecossistema solo-planta;
• Destino inicial do C em transformação;
• Principal fonte de enzimas do solo;
• Atividade catalisadora – De 15 a 30% da população total é ativa (depende das condições);
Atividade:- Fungos = 700 a 2.700 kg ha-1; Tempo de geração = 4 a 8 horas (2-10% atividade)- Bactérias = 500 a 750 kg ha-1; Tempo de geração = 0,5 hora (15-30% atividade)- Microfauna = < 50 kg ha-1; Tempo de geração = 2 a 4 horas (pouco conhecida)
• Os valores de biomassa variam muito com o tipo de solo, vegetação e clima
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Características da Biomassa Microbiana (cont…)• A biomassa microbiana representa o maior reservatório proporcional da
matéria orgânica ativa em solos tropicais que naqueles de clima temperado;• A quantidade de biomassa encontrada no solo é de certo modo, em
determinado tempo, relacionada à quantidade de C que este solo recebe;• A quantidade de C residual na biomassa depende da degradabilidade do
substrato, variando de 20-40% C (prontamente assimiláveis) no período de 8-12 semanas.
Obs: Apenas 20% de C da lignina é perdido na forma de CO2 após um ano de decomposição
Baixa conversão em biomassa, permanecendo recalcitrante no solo
SucessãoTrófica
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Características da Biomassa Microbiana (cont…)• Menores valores de biomassa podem ser encontrados em: áreas degradadas,
várzeas, solos sob cultivo intensivo ou contaminados com metais pesados;
• A biomassa é um reservatório lábil de nutrientes no solo que recicla muito rapidamente, tornando-os disponíveis para as plantas
• A manutenção da cobertura vegetal do solo e o uso de corretivos e fertilizantes (especialmente N e P) resulta no enriquecimento da biomassa. Esta possibilidade é de grande relevância para a sua dinâmica em solos tropicais, nos quais se verifica elevada capacidade de retenção de P na fração mineral, reduzindo sua disponibilidade para as plantas.
Quociente Metabólico (qCO2)• Refere-se à liberação de CO2 por unidade de biomassa por certo tempo (C-
CO2/C-mic h-1), o que corresponde a um índice de atividade heterotrófica específica da biomassa.
• Valores elevados de qCO2 indicam que a população microbiana encontra-se sob estresse, ou seja, há uma necessidade energética mais elevada para manutenção desta.
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Solo Contaminado: Embora há uma menor quantidade de microrganismos, há um consumo maior de energia para manutenção (qCO2 correlacionado com os teores de metais pesados)
Moreira & Siqueira, 2006
Densidade e Atividade Microbiana em Solo Contaminado por Metais Pesados
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