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1 Universidade Federal de Uberlândia Faculdade de Engenharia Química Prof. Ubirajara Coutinho Filho
Unidade 5-CATABOLISMO E BIOENERGÉTICA A energia de que os microrganismos necessitam para sustentar os processos anabólicos do crescimento microbiano (e.g., biosíntese de macromoléculas para duplicação dos constituintes celulares durante o crescimento), para manutenção das estruturas e da homeostase celulares (e.g., regulação do pH do citosol), e para o movimento, é obtida por reações catabólicas sejam estas de as de conversão de energia luminosa em energia química ou reações de oxidação de
compostos orgânicos e inorgânicos. O fluxo de energia nos seres vivos é estudado pela bioenergética a partir leis da fundamentais da termodinâmica. Os seres vivos são descritos termodinamicamente como estruturas ou sistemas dissipativas, ou seja são sistemas que utilizam fluxos de energia para aumentar sua ordem interna e operam longe do equilíbrio termodinâmico. Como as células operam a temperatura constante torna-se necessário o uso de reações químicas como forma de transferência e armazenamento de energia. Neste sentido as células utilizam o acoplamento de reações para que a energia de uma reação espontânea possa ser utilizada no favorecimento de reações não espontâneas. Entre todas as moléculas utilizadas nos processos vivos a molécula de ATP, veja a Figura 1, tem um papel central na conservação de energia pelas células vivas pela sua capacidade de armazenar energia na ligação do terceiro grupo fosfato e pela capacidade de transferência do grupo fosfato, formação de
ligações de fosforilação, o que essencial na formação de ácidos
nucléicos, movimentação de flagelos e quebra e composição de moléculas (ex: a primeira reação da vida glicolítica consiste na formação de glicose-6-fosfato a partir da glicose) ATP + H2O glicose + Pi glicose + ATP
⇔ ⇔ ⇔
ADP + Pi glicose-6-P + H2O glicose-6-P + ADP
∆Gº´= -33,5 kJ mol-1 ∆Gº´= +12,5 kJ mol-1 ∆Gº´= -21,0 kJ mol-1
3−
em que Pi representa ortofosfato ( PO4 ). ATP
ADP NH2 N
N
Figura 1. Estrutura química da molécula de ATP e ADP. -
O
P O
O-
O-
OO
P O
O
P
N
N O
CH2 O
O H
H
H
OH
OH
H
(1) (2) (3)
2 Quase todas as enzimas envolvidas na transferência de elétrons dos processos anabólicos têm como coenzima para transporte de elétrons o fosfato de dinucleótido de nicotinamida-adenina (NADP+).
Por seu turno o principal transportador citosólico de elétrons nos processos
catabólicos é o dinucleótido de nicotinamida-adenina (NAD+). Cada molécula de NADPH ou de NADH, que são as formas reduzidas de NADP e NAD, respectivamente, transportam 2 elétrons e um próton ( veja as equações. 4 e 5).
∆E ′0 (V) NADP+ + 2e- + 2H+ ⇔ NADPH + H+ NAD+ + 2e- + 2H+ ⇔ NADH + H+
4 5
-0,32 -0,32
Embora ambas tenham o mesmo potencial redox padrão, que lhes confere a mesma boa posição entre os vários doadores de elétrons do metabolismo, basicamente o NADPH e o NADH tem diferentes funções metabólicas, o NADPH é um coenzima do anabolismo, enquanto o NADH é intermediário redox do catabolismo. As Equações (6) a (7) descrevem resumidamente tal processo do ponto de vista termodinâmico:
6
∆G=-nF∆E ∆G = z F∆ψ + RT ln
[Ccit ] [Cext ]
7
Onde ∆ψ representa o potencial transmembrana e z o número de cargas na molécula transportada.
Glicólise e vias fermentativas A glicólise, ou via de Embden-Meyerhof, é uma via preparativa para o metabolismo aeróbico da glicose e na ausência de oxigênio gera energia pela formação de lactato . Com a formação de lactato ocorre a geração de duas moléculas de ATP após 11 reações onde a primeira representa é formação de glicose-6-fosfato e a última a formação de lactato a partir de piruvato. A Figura 2 glucose
representa o processo.
glucose-6-P frutose-6-P P-frutose-1,6-P gliceraldeido-3-P + eP P1,3-bifosfogliceratoP
NADH NAD
ADP ATP ADP
gliceraldeido-3-P P
e-
+
NAD
NADH
P1,3-bifosfogliceratoP
ADP
ADP
fosfogliceratoP
ATP
fosfoenolpiruvatoP
ADP ATP
ATP
piruvato
fosfogliceratoP
ATP
fosfoenolpiruvatoP
ADP
piruvato
ATP
Figura 2: glicólise em presença de oxigênio (o piruvato não foi reduzido a lactato) Fonte: http://www.uni.pt/dbia/1anobiotech/microbiologia/
3
O metabolismo que leva a redução de piruvato a lactato representa o processo fermentativo comum em diversas fermentações que é conhecido como fermentação láctica . São exemplos de interesses da fermentação láctica: produção de ácido láctico e fermentações alimentares como a produção de conservas e azeitonas. Na Figura 3 é apresentada de forma resumida as outras principais vias metabólicas fermentativas de interesse industrial. piruvato
CO2
piruvato CO2
CoASH oxaloacetato
acetolactato
NADH Pi malato
CO2
formato
acetil-CoA
+
NAD
H2
CoA
acetoina
CO2
acetil-fosfato ADP
H2O
ATP
acetaldeido
acetoacetil-CoA succinato CO2 propionato
2,3-butanediol
+
NAD
acetato
fumarato
NADH
NADH
CO2
+
NAD acetona NADH +
NAD
isopropanol
NADH
etanol butiril-CoA Pi CoA
CoA NAD butiraldeido butilrilfosfato ADP NADH +
+
NAD butanol
ATP
butirato
Figura 3: vias fermentativas alternativas de interesse industrial
Fonte: http://www.uni.pt/dbia/1anobiotech/microbiologia/ Ciclo dos Ácidos tricarboxílicos O ciclo dos ácidos tricarboxílicos (TCA) que também é conhecido como ciclo do ácido cítrico ou ciclo de Krebs é um processo aeróbico que ocorre nas mitocôndrias gerando a completa oxidação do piruvato (3C), produzido pela glicólise, a dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). Veja na Figura 4 a representação do ciclo completa do ciclo e note que após a oxidação de piruvato a acetil-coA ocorre a formação de citrato como intermediário do processo ( reação entre acetil-CoA e oxaloacetato) que é degradado, na seqüência pela reação catalítica envolvendo a enzima aconitase.
4
piruvato (3C)
NAD ++CoA NADH
CO2 Acetil-CoA (2C) CoA
(4C) oxaloacetato
citrato (6 C)
NADH NAD +
aconitato (6 C)
(4C) malato isocitrato (6 C) NAD + (4C) fumarato FADH FAD
(4C) succinato
CoA
CO 2 NADH α -cetoglutarato(5 C) NAD ++CoA
Succinil-CoA GTP GDP+P i (4C)
CO 2
NADH
Figura 4: Ciclo dos ácidos tricarboxílicos Fonte: http://www.uni.pt/dbia/1anobiotech/microbiologia/ Além da geração de energia em processos celulares aeróbicos tem-se interesse no ciclo de Krebs para produção de ácido cítrico. Como enzima aconitase ,responsável catálise da conversão
do citrato em aconitato e pela conversão de aconitato em isocitrato, tem ferro como cofator a fermentação baixa concentração de ferro favorece a produção de ácido cítrico. Ver tabela 5.8 Bailey segunda edição (pág.275). Outro fator que favorece a formação de ácido cítrico é a alta concentração de sacarose, após a hidrólise, na produção de piruvato. Veja a Figura 5
Fig 5: produção de ácido cítrico (Ref. Microbiologia de Brock)
5
Metabolismo primário e secundário
De forma simplificada podemos dizer que os metabólicos primários estão relacionados a vida das células/microrganismos quando considerados de forma individual. São compostos que formam e mantêm a estrutura das células e órgãos, e que realizam a captação, armazenamento e utilização de energia. Geralmente são moléculas complexas. Os metabólitos secundários estão vinculados à sobrevivência das células no mundo real. Eles permitem que os indivíduos respondam à pressão de fatores ecológicos e climáticos, possibilitam a relação dos indivíduos com suas fontes de nutrientes e predadores. São exemplos de metabólicos secundários medicamentos (ex. Antibióticos), plásticos biodegradáveis, corantes, sobores, aromas e outros produtos utilizados pela indústria de química fina.
Quando a última árvore tiver caído, quando o último rio tiver secado, quando o último peixe for pescado, vocês vão entender que dinheiro não se come. [(Cacique Seatle-Tribo Dwuamsh-EUA):Discurso feito pelo cacique (1854) referente à venda de terras indígenas ao governo dos EUA]
