Instituto de Medicina Tropical “Daniel A. Carrión”

Lic. Esther L. Valencia Bazalar

METABOLISMO BACTERIANO

METABOLISMO

El término metabolismo se refiere al conjunto de reacciones químicas destinadas al mantenimiento, crecimiento y reproducción de las bacterias catalizadas por enzimas

Objetivos del metabolismoObtención de energía química que es

almacenada en los enlaces químicos fosfato del ATP.

Transformación de sustancias químicas externas en moléculas utilizables por la célula.

Construcción de materia orgánica propia a partir de la energía y de las moléculas obtenidas del medio ambiente. Esta materia orgánica almacena gran cantidad de energía en sus enlaces.

Destrucción de estas moléculas para obtener la energía que contienen.

Anabolismo y CatabolismoAnabolismo: la célula sintetiza sus

propios componentes, dando como resultado producción de nuevo material celular (biosíntesis) captación, almacenamiento y utilización de la energía

Catabolismo: conjunto de reacciones degradativas de los nutrientes para obtener energía o para convertirlos en unidades precursoras de la biosíntesis.

Energía para el movimiento, transporte de nutrientes,etc

Catabolismo

Productos de desecho

Componentes celulares

Nutrientes

Anabolismo

Energía para el desarrollo

Fuente de energía

¿ CÓMO SE EXPLICA LO DE LA LIBERACIÓN DE LA ENERGÍA ?

Cuando se rompe un enlace de Trifosfato de Adenosina (ATP) se pasa a Difosfato de Adenosina (ADP), quedando la reacción espontánea:

ATP ADP + 12 Kcal.Se libera energía potencial para:

- Respiración- Fotosíntesis- Metabolismo

• Compuestos ricos en energía :Compuestos ricos en energía : Adenosina triAdenosina trifosfato ( ATP )fosfato ( ATP ) Guanosina triGuanosina trifosfato ( GTP )fosfato ( GTP ) Acetil fosfatoAcetil fosfato Ácido 1,3-diÁcido 1,3-difosfofosfoglicéridoglicérido Ácido Ácido fosfofosfoenolpirúvicoenolpirúvico ( PEP ( PEP ) )

COMPUESTOS RICOS EN ENERGÍA :

La célula microbiana utiliza la energía para:

• El movimiento.

• La producción de calor.

• La electricidad.

• Biolumniscencia.

Metabolismo productor de energíaLa energía potencial contenida en los

nutrientes se produce por reacciones de oxido-reducción.

Energía:Química: oxidación esta definida por la

pérdida de electrones (e-) y la reducción por la ganancia de los mismos.

Bioquímica: incluyen transferencia de átomos enteros de hidrógeno, por lo que se conocen también con el nombre de reacciones de deshidrogenación.

La célula microbiana utiliza la energía química para :

• Sintetizar grandes moléculas a partir de otras más pequeñas.

• Transportar sustancias hacia la célula microbiana y organizarlas en su interior.

Sacar las sustancias de desecho de la célula microbiana o para realizar la secreción

• El trabajo mecánico de

las célula microbianas.

Tipos de catabolismo

Catabolismo de los hidratos de carbono: Es el proceso de obtener energía a partir de la glucosa que se realiza por tres mecanismos: glucólisis, respiración celular y fermentación.

Catabolismo de las grasas Consiste en la rotura de los triglicéridos en ácidos grasos y glicerol, mediante la incorporación de tres moléculas de agua y la ayuda de enzimas llamadas lipasas.

Catabolismo de las proteínas: Es la escisión de las cadenas polipeptídicas en sus aminoácidos mediante enzimas llamadas proteasas. Los aminoácidos obtenidos tienen un catabolismo diferente y algunos pueden formar glucosa mediante la gluconeogénesis.

Catabolismo

Según la naturaleza de la sustancia que se reduce, se distinguen dos tipos de catabolismo:

Fermentación tanto la molécula dadora como la aceptora de electrones, son compuestos orgánicos,

Respiración: en la que se reduce un compuesto inorgánico

respiración aerobia: hay un aceptor final que es el oxígeno respiración anaerobia: cuando es un compuesto inorgánico

Metabolismo IntermediarioEn las bacterias se encuentran las tres vías

centrales de metabolismo intermediario de los Hidratos de Carbono:* Vía glucolítica o de Embden Meyerhof Parnas* Vía de pentosa fosfato o shunt de las pentosas* Vía de Entner-Doudoroff.

1. Vía glucolítica -EMPTres etapas: degradación glucosaNo son oxido-reducción formación de 2

intermediarios de 3 átomos de carbono cada uno.

Reacciones de oxido-reducción, con liberación de energía, formación de ATP por el proceso de fosforilación a nivel del sustrato se forman 2 moléculas de piruvato.

Reacciones de oxido-reducción y se generan los productos finales de la fermentación, que varían según la bacteria.

Por cada molécula de glucosa que entra a esta vía, se forman 4 moléculas de ATP, y como se consumen 2 en la etapa 1, el balance neto es de 2 moléculas de ATP por molécula de glucosa fermentada.

El destino final del metabolito clave, el piruvato, depende de los procesos empleados para la regeneración de NAD a partir del NADH y mantener el equilibrio O-R

La glucólisis, ruta metabólica común a

todos los organismos

2. Vía de la pentosa fosfato.

Vía de las pentosas es una ruta multifuncional para la degradación de hexosas, pentosas, y otros hidratos de carbono.

Para los fermentadores heterolácticos es la principal fuente productora de energía, aunque la mayoría de las bacterias utilizan esta vía como fuente de NADPH y de pentosas para la síntesis de nucleótidos.

3. Vía de Entner-Doudoroff

Ruta principal para la degradación de la glucosa en bacterias aerobias estrictas

Como sucede en la vía de las pentosas, aquí sólo se produce una molécula de ATP por molécula de glucosa degradada.

RESPIRACIÓN:

Proceso por el cual la célula microbiana libera la energía almacenada en los alimentos.

• Este proceso ocurre en las mitocondrias en la mayoría de las células eucariotes o en la membrana celular de las células procariotes

http://www.microbelibrary.org/images/Tterry/HTMLpages/mitochondrialrespiration-Spanish.htm

Tipos de respiraciónRespiración aerobia.

Respiración anaerobia (Fermentación)

RESPIRACIÓN AEROBIAC6H12O6 + 6 O2

Enzimas

6CO2 +6 H2O+ Energía (38 Energía (38 ATP)ATP)

G = -686 KcalG = -686 Kcal

RESPIRACION AEROBIA

Substrato es oxidado completamente a CO2 y H2O, participación de una cadena de e- ( membrana citoplasmática) y aceptor final oxígeno molecular.

Los primeros pasos en la respiración de la glucosa idéntico a la glucólisis, pero mientras en esta el piruvato convertido en productos finales de la fermentación (ácido láctico, propiónico, etc.) en la respiración es oxidado completamente a CO2 a través del ciclo de Krebs.

Por cada molécula de piruvato oxidada se generan 3 moléculas de CO2.

Al igual que en la fermentación, los e- generados en el ciclo de Krebs,pasan a coenzimas que tienen NAD. En la respiración, los e- del NADH son transferidos al oxígeno para regenerar NAD a través de un sistema transportador, en lugar de cederlos al piruvato.

A partir la glicólisis pueden darse la respiración aerobia o la anaerobia.

Ciclo de Krebs

o

Ciclo del ácido

tricarboxílico (ATC)

El conjunto de reacciones del ciclo ATC se puede resumir en la siguiente forma:

Acetil-CoA + 3H2O + 3NAD+ + FAD+ + ADP + Pi

2CO2 + CoA + 3NADH2 + FADH2 + ATP

• Una molécula de glucosa da lugar a dos de acetil- CoA, que pueden entrar en este ciclo

• El total será el doble del indicado en esta reacción

BALANCE ENERGETICO DE LA RESPIRACION

El resultado neto del ciclo de Krebs es la oxidación completa del piruvato a CO2 con formación de 4 moléculas de NADH y 1 de FADH

Un total de 15 moléculas de ATP son sintetizadas en cada vuelta del ciclo, por lo tanto, la glucosa rinde 2 moléculas de piruvato, 30 moléculas de ATP son sintetizadas por cada molécula de glucosa que entra al ciclo de Krebs

Sumado a las 6 moléculas de la reoxidación del NADH y las 2 del vía glucolítica da un total de 38 moléculas de ATP por molécula de glucosa respirada.

Además de sus funciones como mecanismo generador de energía, el ciclo de Krebs sirve como productor de metabolitos claves para la biosíntesis.

• Rendimiento total en ATP por molécula de glucosa

Destino final del piruvato.

El ácido pirúvico derivado de la glucosa es un compuesto clave en el metabolismo fermentador de los hidratos de carbono.

En su formación, el NAD es reducido a NADH, y éste debe reoxidarse nuevamente a NAD para alcanzar el equilibrio final de oxidoreducción.

ANAEROBIASEl oxígeno gaseoso no interviene. El aceptor de electrones es un compuesto

distinto al oxígeno.Cuando el aceptor es un compuesto

orgánico se denomina fermentaciónCuando es inorgánico respiración anaerobia

RESPIRACION ANAEROBIA:

En las aerobias obligadas el O2 es el aceptor final de e-.

Las bacterias anaerobias facultativas pueden utilizar, en ausencia de O2, una variedad de compuestos inorgánicos como aceptores finales de e- por ejemplo,nitrato, fumarato, sulfato, etc.

Reducción del oxígeno: formación de radicales libres que son muy tóxicos para la bacteria. Radical superóxido.

Eliminado en las bacterias aerobias y aerotolerantes por la enzima superoxido dismutasa que cataliza la formación de peróxido de hidrógeno, tóxico que es degradado a su vez por enzimas como catalasa y peroxidasa a oxígeno molecular y H 2 O.

Estas enzimas están ausentes en las bacterias anaerobias estrictas, explicando en parte la susceptibilidad de estas al oxígeno.

GLUCOSA

Glucólisis

2C3H4O3 (ácido pirúvico) + 4H

2C2H5OH + 2CO2 +2 ATP

Alcohol etílico Dióxido de carbono Energía

• En ausencia de oxígeno, para actuar como aceptor final, el ácido pirúvico sirve a sí mismo como aceptor.

• En algunas bacterias, al final de la cadena de transporte electrónico, puede existir un aceptor diferente del oxígeno (respiración anaerobia). Los aceptores y sus respectivos productos reducidos (A AH2) son:

• NO3-- N2

• SO42- SH2

• fumarato succinato

• CO2 CH4

• Fe3+ Fe2+

• Con estos aceptores se obtiene menos energía que con el oxígeno, porque la pareja O2/H2O es más oxidante que las otras.

FermentaciónHay distintos tipos de fermentaciones, pero

todas llevan a una oxidación parcial de los átomos de carbono del substrato inicial y liberan por lo tanto sólo una pequeña parte de la energía potencial contenida. El rendimiento energético de este proceso es menor que el de la respiración.

Tipos de fermentaciónFermentación alcoholica: etanolF. homoláctica: ácido láctico (ac. Piruvico-

NADH dador e-, etapa tres vía glicolítica)F. heteroláctica: sólo la mitad de la glucosa

se convierte en ácido láctico, el resto en una mezcla de CO2, ácido fórmico, ácido acético (C. pentosas)

F. ácido propiónico: anaeróbios. 1 mol + ATP

F. butanodiol: algunas bacterias 2-3 butanodiol durante la fermentación de la glucosa. Deriva de la condensación de 2 moléculas de piruvato en una molécula neutra de acetoína que luego es reducida a 2-3 butanodiol.

Fermentación del ácido butírico: Clostridium

Fermentación de Hidratos de CarbonoOtros productos pueden ser aminoácidos

(alanina, glicina).Ausente aceptor externo electrones y solo

una pequeña parte de la energía es liberada del sustrato

Otras bacterias tienen la capacidad de oxidar completamente el substrato inicial a CO2, por el proceso conocido como respiración.

GLUCOSA

Ácido pirúvico Ácido acético + Ácido fórmico

Ácido succínico

Ácido acéticoAcetona

Acetil CoA Ácido fórmico

Alcohol etílico CO2Ácido acético H2

Diferentes rutas de fermentación

Catabolismo de los lípidos

Glicerina

Ácido graso

Ácido graso

Ácido graso

Lípido

Glicerina

3 Ácidos grasos

GlicerinaGlicerinaquinasa ADP NAD

Glicerinafosfato

deshidrogenasa

NADH2

+ ------- + + --------------

+

ATP Mg+2 Glicerina-3 fosfato

Glicerina-3 fosfato

Fosfato dedihidroacetona

Todos los compuestos de esta reacción entran a la vía glucolítica.Todos los compuestos de esta reacción entran a la vía glucolítica.

CATABOLISMO DE PROTEÍNAS

Las proteínas son demasiado grandes para atravesar las membranas

Los microorganismos excretan proteasas que hidrolizan las proteínas exógenas a péptidos.

Proteasas Peptidasas

Proteínas----- Péptidos------- Aminoácidos

• Los esqueletos carbonados de los aminoácidos entran en el ciclo ATC para sufrir una mayor oxidación vía acetil CoA, ácido cetoglutárico, ácido succínico, ácido fumárico o ácido oxaloacético

BIOSÍNTESIS(Anabolismo)

Intermediarios de bajo peso

molecular

Unidades estructurales

Macromoléculas(Alto peso molecular)

Asociaciones supra -

moleculares

Organelas

Acetato,Malonato

Ácidos grasos,Glicerina

Lípidos

Fosfopiruvato, Malato

Azúcares sencillos

Poli - sacáridos

Cetoácidos

Aminoácidos

Proteínas

Ribosa carbamil fosfato

Mono -nucleóticos

Ácidos Nucléicos

Complejos enzimáticos, Ribosomas,

Sistemas contráctiles

Núcleo, mitocondria, cloroplasto, etc.

Preguntas?