Energia em Sistemas Vivos II

Prof. Dr. Leandro Nascimento Lemos

1. Ambiente físico e químico

Energia em Sistemas Vivos II

1. Ambiente físico e químico(Alice, Maria, Carlos, Karla Cauê)

Reações geoquímicas e origem do metabolismo

• CO₂ + H₂ → CO e CH₃– (com Fe-S e Ni)�
• Formação de acetil-CoA → base metabólica�
• Geração de ATP por SLP (sem respiração)�
• Fixação de N₂ → NH₃ (fonte de nitrogênio)�
• Reações sem enzimas modernas, guiadas por minerais�
• Origem da via de Wood–Ljungdahl�
• Produção de precursores: aminoácidos, lipídios, bases

1. Ambiente físico e químico (Bravin e Vinícius)

1. Ambiente físico e químico (Bravin e Vinícius)

O fluido hidrotermal (pH ~9) encontra o oceano (pH ~6), gerando gradiente natural de prótons (H⁺).

Esse gradiente é aproveitado por proteínas primitivas para formar ATP – sem bombas de íons.

Hidrogênio (H₂) e CO₂ disponíveis no ambiente reagem na presença de minerais Fe-S.

As rochas liberam ferro e enxofre, que atuam como catalisadores naturais das reações.

Energia geoquímica inicia reações que formam moléculas orgânicas simples.

Gradiente de prótons

Usa o fluxo de H+ pra produzir ATP

Movimenta íons, balanço de cargas

Oceano/atmosfera primitiva

Serpentinização

Gases dissolvidos vindos da geoquímica do sistema por difusão

Rocha ultramáfica + H2O -> Fe2+ + H2S (minerais ricos em Fe-S, que servem como catalisadores)

Servem como cofatores na via do Acetil-CoA (ciclo do brother lá) pra gerar mol. orgânicas simples

Serpentinização, nada mais é que a reação entre água do mar e rochas do manto terrestre, especialmente peridotitos (ricos em olivina e piroxênio).

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(Fe²⁺, Mg)₂SiO₄ (olivina) + H₂O (quente) → serpentina + magnetita (Fe₃O₄) + H₂ (gás hidrogênio)

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Mas o que rola? (de importante)

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Libera calor, gera H2 (fonte de energia) e libera Fe-S

1. Ambiente físico e químico (Bravin e Vinícius)

1. Gradiente de pH gera força próton-motriz usada para gerar ATP (via ATPase).

2. Fe-S do ambiente catalisa reações que fixam carbono e produzem tioésteres energéticos.

3. Reações entre H₂ e CO₂ formam acetil-CoA → base para síntese de biomoléculas.

→ Início da bioenergética celular: vias metabólicas rudimentares e conservação de energia.

→ LUCA surge explorando diretamente essas condições geoquímicas.

1. Ambiente físico e químico (André)

Fontes Hidrotermais (André)

Geoquímica

• Gradiente de pH
• Compostos Inorgânicos (CO₂, H₂ e H₂S)
• Minerais Metálicos

Massoth et al., 1988

Dick, G.J. 2019

Fontes Hidrotermais (André)

Fixação de Carbono e Formação de Compostos Orgânicos

ATP sintase primitiva poderia utilizar o gradiente de Na⁺

Formação de Biomoléculas Complexas: glutamina sintase (GS) e nitrogenase (Nif)

1. Ambiente físico e químico (Natália, Izaque, Sérgio e Carlos Eduardo)

Fontes Hidrotermais (Natália, Izaque, Sérgio e Carlos Eduardo)

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Energia

• Conservação de energia por acoplamento quimiosmótico: fosfotransacetilase → Acetil fosfato (conservação de energia) e subunidade de ATP sintase → ATP.

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• Presença da subunidade de ATP sintase aponta aproveitamento de gradientes iônicos para metabolismo energético. Presença de bombas iônicas unicamente sem troca de elétrons (antiportadores H+/Na+).

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• Utilizava gradientes iônicos para obtenção de energia, mas não possuía bombas iônicas dependentes de transferência de elétrons. A ATP sintase do tipo rotor-estator estava presente, porém muitas de suas subunidades foram perdidas do conjunto de genes do LUCA devido à transferência lateral de genes entre domínios.

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Fontes Hidrotermais (Natália, Izaque, Sérgio e Carlos Eduardo)

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Termofílico e fontes hidrotermais:

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• A presença de metais de transição, como Fe, Ni e S, nas enzimas do LUCA, juntamente com enzimas específicas de hipertermófilos, e a dependência de H₂, evidenciam que o LUCA habitava fontes hidrotermais

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RESPIRAÇÃO

Respiração

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• LUCA era um organismo anaeróbico quimiolitioautotrófico, fixava CO₂ pela via de Wood-Ljungdahl, utilizava hidrogênio como fonte de elétrons e dependia de metais de transição e cofatores orgânicos.
• Acessava nitrogênio via nitrogenase e glutamina sintetase e suas enzimas eram sensíveis ao oxigênio o que reforça que ele vivia em um ambiente anaeróbio.

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Ambiente físico e químico - Versão do Diogo, João Otávio, Gabriel Jesus e José David

1. Ambiente físico e químico - Versão do Diogo, João Otávio, Gabriel Jesus e José David

• Fontes hidrotermais alcalinas geram gradientes naturais de pH e concentrações de íons (H⁺ e Na⁺);
• Superfícies de minerais metálicos, como sulfetos de ferro e níquel, atuam como catalisadores para reações químicas;
• Uso de um mecanismo acoplado entre bombeamento de prótons e sódio para gerar energia. Antiporter Mrp (Multiple Resistance and pH Adaptation) e a ATPase do tipo roto-estator.

1. Ambiente físico e químico - Versão do Diogo, João Otávio, Gabriel Jesus e José David

• Via de Wood-Ljungdahl: fixação de carbono por CO2 e H2;
• Nitrogenase: Redução de N₂ a NH₄⁺ com Fe-Mo-S como catalisador;
• SAM atuando em reações de metilação na modificação de RNA;
• Uso de cofatores metálicos e minerais para catálise de reações bioquímicas

2. Metabolismo e Energia

Energia em Sistemas Vivos II

Geovana, Gustavo, Matheus e Samira

Via de Wood–Ljungdahl

O que é? E por que é considerado uma via metabólica primitiva?

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Conjunto de reações bioquímicas usadas por bactérias acetogênicas. É considerada uma das rotas metabólicas mais antigas da vida, devido algumas propriedades:

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Simplicidade química e bioenergética: utiliza moléculas simples como CO₂ e H₂ para formar compostos orgânicos e requer pouca energia, compatível com ambientes primitivos da Terra;

Reações abiogênicas: algumas reações dessa via podem ocorrer espontaneamente em condições geoquímicas, sugerindo que poderiam ter existido antes das primeiras células;

Microrganismos basais: essa via está presente em bactérias e arqueias acetogênicas e metanogênicas, que são alguns dos organismos mais antigos conhecidos. Esses microrganismos habitam ambientes extremos, como fontes hidrotermais, semelhantes às condições da Terra primitiva.

Como essa via atua na fixação de carbono e conservação da energia?

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Ela pode ser usada para metanogênese e opera na redução de CO₂ para acetyl-CoA ou no sentido oxidativo de acetato para H₂ e CO₂.

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Quando utilizada no sentido redutivo ela realiza a conservação de energia e fixação de carbono. Nos organismos metanogênicos, quando crescem em ambiente com H₂ + CO₂, eles usam a via para fixar o CO₂, porém eles também conservam a energia transformando H₂ + CO₂ em metano.

Energia em Sistemas Vivos II

Ramo metil:

• A molécula de CO₂ é reduziada a um grupo metil ligado a uma proteína chamada CoFeSP.

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Ramo carbonila:

• A principal enzima desse ramo é a CO desidrogenase/acetil-CoA sintetase (CODH/ACS).
• Uma molécula de CO₂ é reduzida a CO por CODH, que se torna o grupo carbonila de acetil-CoA.
• Os genes desse ramo são exclusivos de organismos que usam a via Wood-Ljungdahl.

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Produtos finais:

• A molécula de CO e o grupo metil são combinados com CoA para formar a molécula de Acetil-CoA.

Geovana, Gustavo, Matheus e Samira

2. Metabolismo e Energia

• A via de wood - Ljungdahl é comum a organismos quimioautotróficos
• Ela pode ser executada em duas direções sendo a reversa responsável pela fixação de CO e CO2 e produção de glicose
• nessa direção na conversão de acetato em acetil-CoA encontram se duas enzimas que trabalham em conjunto como catalisadoras a acetato quinase e a fosfato acetilase
• Uma conversão a se destacar é a do CO2 +H2 que vira CH4 que é feita pelas bactérias metanogênicas e que alterna com a via da metanogênese
• e uma detalhe a citar é que redutores de sulfato também realizam essa via

Energia em Sistemas Vivos II

Referências:�https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2646786/

Visão detalhada da via de Wood-Ljungdahl (Davi)

Fonte: George Fuchs. DOI: 10.1146/annurev-micro-090110-102801

Indicam a entrada de moléculas com um único carbono.

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Via estudada em Moorella thermoacetica, uma bactéria acetogênica.

Variante da via. Estudada em Methanothermobacter marburgensis, uma arqueia metanogênica.

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Visão detalhada da via de Wood-Ljungdahl (Davi)

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3. Genômica e Bioquímica

A hipótese que indica para um LUCA anaeróbico e autotrófico parte da análise filogenética de proteínas compartilhadas e entre arqueias e bactérias. Os genes compartilhados entre os anaeróbios surgem como candidatos para o LUCA, devido à natureza aeróbica dos ambientes.

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Tais genes estão associados ao metabolismo anaeróbico, como o CODH/ACS, que estão presentes em organismos metanogênicos e acetogênicos. Já sua identidade autotrófica, surge de presença de genes associados a via de fixação de carbono.

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Estudos sobre a bioenergética de organismos modernos indicam que LUCA provavelmente habitava ambientes hidrotermais ricos em hidrogênio molecular (H₂) e dióxido de carbono (CO₂).

Gg

Genômica e Bioquímica 2

Gg

Genômica e Bioquímica 2

CODH/ACS (complexo proteico)

CO2 > CO > acetil-CoA

Fixação de carbono pela via Wood–Ljungdahl

Número de genes compartilhados

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Azul: baixo

Vermelho: alto

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Regiões 1, 2 e 3: responsáveis pelo metabolismo anaeróbio

Gg

Genômica e Bioquímica 2

Eric, Isabela, Júlia e Mayllon

De maneira geral, podemos analisar que:

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Phosphotransacetylase (PTA)

• Catalisa a conversão de Acetil-CoA em Acetil-Fosfato, facilitando a liberação posterior do grupo fosfato
• Conserva a energia presente na ligação tioéster do acetil-CoA na forma de uma ligação anidrida energética do acetilfosfato.
• Tem papel central em teorias autotróficas sobre a origem microbiana que focam na fosforilação em nível de substrato (SLP).

NiFe Hydrogenase

• Catalisa a oxidação/redução de H2
• O fluxo de elétrons pode ser utilizado na fixação de carbono na via de Wood-Ljungdahl
• Quimiolitotrofia com H2 como doador de elétrons (fonte de energia)
• Fontes hidrotermais contendo o H2 para reduzir o CO2

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Phosphotransacetylase (PTA)

Fonte: SCHÜTZE, Andrea; BENNDORF, Dirk; PÜTTKER, Sebastian; KOHRS, Fabian; BETTENBROCK, Katja. The Impact of ackA, pta, and ackA-pta Mutations on Growth, Gene Expression and Protein Acetylation in Escherichia coli K-12. Frontiers in Microbiology, v. 11, 20 fev. 2020. DOI: 10.3389/fmicb.2020.00233.

NiFe Hydrogenase

Fonte: Proteolytic cleavage orchestrates cofactor insertion and protein assembly in [NiFe]-hydrogenase biosynthesis. Senger, Moritz et al. Journal of Biological Chemistry, Volume 292, Issue 28, 11670 - 11681

Anelise, Anna, Beatriz e Paulo

1. Complexo CODH/ACS
1. CODH sintetiza monóxido de carbono
2. As porções metila e carbonila são condensadas em um grupo acetil ligado a enzima ACS
3. Não está relacionado com a síntese de metila
4. CO2 constituiu a principal fonte de carbono na Terra após a formação da Lua

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• Ferredoxina
• Participa do sistema de transferência de elétrons do H2 do ambiente para o complexo CODH/ACS
• Ferredoxina na sua forma reduzida é a fonte de elétrons nos anaeróbios

WEISS, M. C. et al. The last universal common ancestor between ancient Earth chemistry and the onset of genetics. PLOS Genetics, v. 14, n. 8, p. e1007518, 16 ago. 2018.

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Ferredoxina

SILVA, João; SANTOS, Maria. Estudo sobre catálise. Journal of Catalysis, v. 50, n. 3, p. 123-130, 2024. Disponível em: https://doi.org/10.1021/jacs.2c11683​. Acesso em: 31 mar. 2025.​

Enzima CODH-ACS

REF: https://doi.org/10.1021/acscatal.0c03033

Via de Wood–Ljungdahl

4. Comparação com Vida Moderna - Bruno, Gabriela, João Pedro e Laís

Energia em Sistemas Vivos II

Quimiossíntese baseada na Monóxido de Carbono Desidrogenase/Acetil-CoA Sintase

Wood-Ljungdahl

Energia em Sistemas Vivos II

• Árvore filogenética do complexo CODH em clusters de bactéria e archaea.
• Alguns grupos possuem tanto o CODH bacteriano quanto o arqueano, enquantos outros tinham uma versão incompleta.
• O LUCA poderia ter diferentes versões do complexo:
1. LUCA com a versão arqueana de cinco subunidades (CdhABCDE).
2. LUCA com a versão bacteriana de cinco subunidades (CdhACDE+AcsE)
3. LUCA com uma versão de seis subunidades (como em Desulforudis audaxviator), com perdas diferentes em cada domínio.
4. LUCA com uma versão de quatro subunidades comuns (CdhACDE).

Adam, P. S., Borrel, G., & Gribaldo, S. (2018). Evolutionary history of carbon monoxide dehydrogenase/acetyl-CoA synthase, one of the oldest enzymatic complexes. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(6), E1166-E1173.

ilum.cnpem.br

Estudantes da Turma /23

OBRIGADO