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8.5: Catabolismo de lipídios e proteínas

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    Objetivos de

    • Descreva como os lipídios são catabolizados
    • Descreva como o catabolismo lipídico pode ser usado para identificar micróbios
    • Descreva como as proteínas são catabolizadas
    • Descreva como o catabolismo protéico pode ser usado para identificar bactérias

    As seções anteriores discutiram o catabolismo da glicose, que fornece energia às células vivas, bem como a forma como polissacarídeos como glicogênio, amido e celulose são degradados em monômeros de glicose. Mas os micróbios consomem mais do que apenas carboidratos como alimento. Na verdade, o mundo microbiano é conhecido por sua capacidade de degradar uma ampla gama de moléculas, tanto naturais quanto aquelas produzidas por processos humanos, para uso como fontes de carbono. Nesta seção, veremos que as vias para o catabolismo lipídico e proteico se conectam às usadas para o catabolismo de carboidratos, levando eventualmente à glicólise, à reação de transição e às vias do ciclo de Krebs. As vias metabólicas devem ser consideradas porosas, ou seja, as substâncias entram por outras vias e os intermediários partem para outras vias. Essas vias não são sistemas fechados. Muitos dos substratos, intermediários e produtos em uma via específica são reagentes em outras vias.

    Catabolismo lipídico

    Os triglicérides são uma forma de armazenamento de energia a longo prazo em animais. Eles são feitos de glicerol e três ácidos graxos (veja a Figura 7.3.1). Os fosfolipídios compõem as membranas celulares e organelares de todos os organismos, exceto as arquéias. A estrutura dos fosfolipídios é semelhante aos triglicéridos, exceto que um dos ácidos graxos é substituído por um grupo de cabeça fosforilado (ver Figura 7.3.2). Os triglicéridos e fosfolipídios são decompostos primeiro pela liberação de cadeias de ácidos graxos (e/ou o grupo da cabeça fosforilada, no caso dos fosfolipídios) da coluna vertebral de glicerol de três carbonos. As reações que decompõem os triglicérides são catalisadas pelas lipases e as que envolvem os fosfolipídios são catalisadas pelas fosfolipases. Essas enzimas contribuem para a virulência de certos micróbios, como a bactéria Staphylococcus aureus e o fungo Cryptococcus neoformans. Esses micróbios usam fosfolipases para destruir lipídios e fosfolipídios nas células hospedeiras e, em seguida, usam os produtos catabólicos como energia (consulte Fatores de Virulência de Patógenos Bacterianos e Virais).

    Os produtos resultantes do catabolismo lipídico, glicerol e ácidos graxos podem ser ainda mais degradados. O glicerol pode ser fosforilado em glicerol-3-fosfato e facilmente convertido em gliceraldeído 3-fosfato, que continua por meio da glicólise. Os ácidos graxos liberados são catabolizados em um processo chamado β-oxidação, que remove sequencialmente grupos acetil de dois carbonos das extremidades das cadeias de ácidos graxos, reduzindo NAD + e FAD para produzir NADH e FADH 2, respectivamente, cujos elétrons podem ser usados para produzir ATP por oxidativo fosforilação. Os grupos acetil produzidos durante a β-oxidação são transportados pela coenzima A para o ciclo de Krebs, e seu movimento durante esse ciclo resulta em sua degradação em CO 2, produzindo ATP por fosforilação em nível de substrato e moléculas adicionais de NADH e FADH 2 (ver Apêndice C para uma ilustração detalhada da β-oxidação).

    Outros tipos de lipídios também podem ser degradados por certos micróbios. Por exemplo, a capacidade de certos patógenos, como o Mycobacterium tuberculosis, de degradar o colesterol contribui para sua virulência. As cadeias laterais do colesterol podem ser facilmente removidas enzimaticamente, mas a degradação dos anéis fundidos restantes é mais problemática. Os quatro anéis fundidos são quebrados sequencialmente em um processo de várias etapas facilitado por enzimas específicas, e os produtos resultantes, incluindo o piruvato, podem ser ainda mais catabolizados no ciclo de Krebs.

    Exercício\(\PageIndex{1}\)

    Como as lipases e as fosfolipases podem contribuir para a virulência dos micróbios?

    Catabolismo proteico

    As proteínas são degradadas pela ação conjunta de uma variedade de enzimas proteases microbianas. As proteases extracelulares cortam as proteínas internamente em sequências específicas de aminoácidos, decompondo-as em peptídeos menores que podem então ser absorvidos pelas células. Alguns patógenos clinicamente importantes podem ser identificados por sua capacidade de produzir um tipo específico de protease extracelular. Por exemplo, a produção da protease gelatinase extracelular por membros dos gêneros Proteus e Serratia pode ser usada para distingui-los de outras bactérias entéricas gram-negativas. Após a inoculação e o crescimento de micróbios no caldo de gelatina, a degradação da proteína gelatina devido à produção de gelatinase evita a solidificação da gelatina quando refrigerada. Outros patógenos podem ser diferenciados por sua capacidade de degradar a caseína, a principal proteína encontrada no leite. Quando cultivada em ágar de leite desnatado, a produção da protease caseinase extracelular causa a degradação da caseína, que aparece como uma zona de limpeza ao redor do crescimento microbiano. A produção de caseinase pelo patógeno oportunista Pseudomonas aeruginosa pode ser usada para distingui-la de outras bactérias gram-negativas relacionadas.

    Após a degradação da protease extracelular e a absorção de peptídeos na célula, os peptídeos podem então ser decompostos ainda mais em aminoácidos individuais por proteases intracelulares adicionais, e cada aminoácido pode ser desaminado enzimaticamente para remover o grupo amino. As moléculas restantes podem então entrar na reação de transição ou no ciclo de Krebs.

    Exercício\(\PageIndex{2}\)

    Como o catabolismo protéico pode ajudar a identificar micróbios?

    Foco clínico: Parte 3

    Como a meningite bacteriana progride tão rapidamente, os médicos de Hannah decidiram tratá-la agressivamente com antibióticos, com base na observação empírica de seus sintomas. No entanto, testes laboratoriais para confirmar a causa da meningite de Hannah ainda eram importantes por vários motivos. N. meningitidis é um patógeno infeccioso que pode ser transmitido de pessoa para pessoa por meio de contato próximo; portanto, se os testes confirmarem a N. meningitidis como a causa dos sintomas de Hannah, os pais de Hannah e outras pessoas que entraram em contato próximo com ela podem precisar ser vacinados ou recebem antibióticos profiláticos para diminuir o risco de contrair a doença. Por outro lado, se descobrir que a N. meningitidis não é a causa, talvez os médicos de Hannah precisem mudar seu tratamento.

    O laboratório clínico realizou uma coloração de Gram nas amostras de sangue e LCR de Hannah. A coloração de Gram mostrou a presença de um diplococo gram-negativo em forma de feijão. O técnico do laboratório do hospital cultivou a amostra de sangue de Hannah em ágar sanguíneo e ágar de chocolate, e a bactéria que cresceu em ambos os meios formou colônias cinzentas não hemolíticas. Em seguida, ele realizou um teste de oxidase nessa bactéria e determinou que ela era positiva para a oxidase. Por último, ele examinou o repertório de açúcares que a bactéria poderia usar como fonte de carbono e descobriu que a bactéria era positiva para uso de glicose e maltose, mas negativa para uso de lactose e sacarose. Todos esses resultados de testes são consistentes com as características de N. meningitidis.

    Exercício\(\PageIndex{3}\)

    1. O que esses resultados de testes nos dizem sobre as vias metabólicas da N. meningitidis?
    2. Por que você acha que o hospital usou esses testes bioquímicos para identificação em vez da análise molecular por teste de DNA?

    Conceitos principais e resumo

    • Coletivamente, os micróbios têm a capacidade de degradar uma grande variedade de fontes de carbono além dos carboidratos, incluindo lipídios e proteínas. As vias catabólicas de todas essas moléculas eventualmente se conectam à glicólise e ao ciclo de Krebs.
    • Vários tipos de lipídios podem ser degradados microbialmente. Os triglicérides são degradados pelas lipases extracelulares, liberando ácidos graxos da coluna vertebral do glicerol. Os fosfolipídios são degradados pelas fosfolipases, liberando ácidos graxos e o grupo da cabeça fosforilada da estrutura do glicerol. Lipases e fosfolipases atuam como fatores de virulência para certos micróbios patogênicos.
    • Os ácidos graxos podem ser ainda mais degradados dentro da célula por meio da β-oxidação, que remove sequencialmente grupos acetil de dois carbonos das extremidades das cadeias de ácidos graxos.
    • A degradação de proteínas envolve proteases extracelulares que degradam proteínas grandes em peptídeos menores. A detecção das proteases extracelulares gelatinase e caseinase pode ser usada para diferenciar bactérias clinicamente relevantes.