Metabolismo microbiano

Conjunto de reacciones químicas mediante las cuales las células obtienen energía y poder reductor a partir de su entorno y también comprende las reacciones en que se sintetizan los componentes fundamentales de sus macromoléculas.

DEFINICIÓN

En las células la energía se almacena en una molécula, el ATP (adenosin trifosfato).

Otras moléculas como el NADH, NADPH y el

FADH2 son los principales transportadores de electrones que se obtienen de la oxidación de sustancias combustibles. Se les llama PODER REDUCTOR.

FORMAS METABÓLICAS

Catabolismo: metabolismo degradativo,

degradación o descomposición de compuestos.

Anabolismo: metabolismo constructivo,

formación o síntesis de compuestos químicos (biosíntesis).

Diferencias:

Catabolismo oDegradante oOxidante oGenerador de energía oExergónico oNecesidad de ADP oProducción de ATP oProductos finales definidos

Anabolismo oSíntesis oReductor oConsumidor de energía oEndergónico oNecesidad de ATP oProducción de ADP y AMP oVariedad de productos finales

El término vía se utiliza para indicar una serie de reacciones consecutivas que efectúan una conversión global específica.

A B C D E F G El efecto neto A G

Las sustancias que se producen en la vía se

denominan intermediarios metabólicos.

Funciones del metabolismo

ABASTECIMIENTO ENERGÍA Y MATERIA

ATP, NADH, PRECURSORES BIOSINTÉTICOS

BIOSÍNTESIS BLOQUES DE CONSTRUCCIÓN

a.a., nucleótidos, monoazúcares, ácidos grasos, etc

POLIMERIZACIÓN MACROMOLÉCULAS

Proteínas, ácidos nucléicos, polisacáridos, lípidos, etc.

ENSAMBLE ESTRUCTURAS SUBCELULARES

Ribosomas, nucleosomas, pared celular, membranas, etc.

Nutrición

• Fuente de carbono: Carbohidratos y CO2 • Fuente de Nitrógeno: Aminoácidos y nitratos • Fuente de azufre. Sulfatos y aminoácidos

azufrados • Vitaminas • Oligoelementos • Cofactores

Clasificación metabólica

FOTO

ORGANO

AUTOTROFÍA

HETEROTROFÍA MIXOTROFÍA

LITO

AUTOTROFÍA

HETEROTROFÍA MIXOTROFÍA

luz

CO2

C.orgánicos

C.inorgánicos

C.orgánicos

Clasificación metabólica

QUIMIO

ORGANO

AUTOTROFÍA

HETEROTROFÍA MIXOTROFÍA

LITO

HETEROTROFÍA

C. químicos

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La célula microbiana obtiene su energía a partir de:

• La degradación de compuestos y liberando energía.

• Almacenando la energía lumínica del sol mediante la fotosíntesis

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COMPUESTO ∆g°kcal/mol PEP -14,14 1,3 difosfoglicerato -11,8 Fosfocreatina -10,3 Acetil fosfato -10,1 Pirofosfato -8,0 Acetil CoA -7,5 ATP -7,3 ADP -7,3 Glucosa 1 fosfato -5,0 Fructuosa 6 fosfato -3,8 AMP -3,4 Glucosa 6 fosfato -3,3

Compuestos ricos en energía

METABOLISMO GENERADOR DE ATP

• GENERACIÓN HETEROTROFICA (Comp. Orgánicos) DE ATP

• Fermentación • Respiración • GENERACIÓN AUTOTROFICA ( CO2)DE ATP • Fotosíntesis • Quimiolitotrofía • Nitrificación.

Fermentación • Proceso metabólico generador de ATP

en el que compuestos orgánicos sirven tanto de donadores de electrones (oxidándose) como de aceptores de electrones (reduciéndose).

• La fosforilación a nivel de sustrato es el

único modo posible de síntesis de ATP.

Glucosa Glucosa 6 PO4

Piruvato

Enolasa

Ácido 3 fosfoglicerico

CH2OH CH2O-P

ATP ADP

H2O

Mg2+

Hexocinasa Fosfohexo isomerasa

CH2O-P

CH2O-P CH2O-P

CH2OH

ATP ADP

Fosfofructo cinasa

CH2OH

C=O

CH2O-P

Dihidroxi- cetona fosfato

CHO

2HCOH

CH2O-P

Gliceraldehído 3 fosfato

Triosa P isomerasa

Gliceraldehído 3P deshidrogenasa

Pi

COO-P

2HCOH

CH2O-P

1,3 Difosfato glicerato

Fosfoglicerato cinasa

Mg2+ COOH

2 HCOH

CH2O-P

3 fosfoglicerato

Fosfoglicerato mutasa

COOH

2 HCO-P

CH2OH GLICOLISIS

COOH

2 C-O-P

CH2

COOH

2 C=O

CH3 Piruvato cinasa

Fosfoenol piruvico

K+ Mg2+

Mg2+

Fructuosa 6 P

Fructuosa 1, 6 P

2NADH NAD+ 2ATP ADP

ADP 2ATP

aldolasa

Reacción global de la glucólisis Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2Piruvato + 2NADH + 2ATP + 2H+ + 2H2O

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VÍA EMBDEN-MEYERHOF-PARNAS VÍA ENTNER-DOUDOROF VÍA HEXOSA MONOFOSFATO

GLUCOSA GLUCOSA GLUCOSA

GLUCOSA 6 FOSFATO GLUCOSA 6 FOSFATO GLUCOSA 6 FOSFATO

FRUCTUOSA 6 FOSFATO

FRUCTUOSA 1, 6 FOSFATO

1,3 DIFOSFOGLICERATO

GLUCONA-LACTONA 6 PO4 GLUCONA-LACTONA 6 PO4

FOSFOGLUCONATO 6 FOSFOGLUCONATO

2 CETO-3-DESOXI 6 FOSFOGLUCONATO

RIBULOSA 5 FOSFATO

ÁCIDO PURÚVICO ÁCIDO PURÚVICO

ÁCIDO PURÚVICO

GLICERALDEHÍDO 3 PO4

CICLO DE KREBS ÁCIDO LACTICO ÁCIDOS MIXTOS ÁCIDOS MIXTOS CICLO DE KREBS

VÍAS PARA LA DEGRADACIÓN BACTERIANA DE LA GLUCOSA

Glucosa

FERMENTACIÓN ALCOHOLICA

2 CH3CH2OH +2 CO2 + 2 ATP +2 H2O

Glicólisis COO-

C=O

CH3

2

2 NADH 2NAD+

Ácido pirúvico

Pirúvico descarboxilasa

CH3-CHO

2 ATP 2 NADH

Acetaldehído Alcohol etílico

2CO2

Mg2+

Acetaldehido deshidrogenasa

Glucosa Ácido láctico

COOH

2 CH-OH

CH3

Glicólisis

COOH

C=O

CH3

2

NADH NAD+

Ácido pirúvico

Lactato deshidrogenasa

2 ATP 2 NADH

FERMENTACIÓN HOMOLÁCTICA

CH2OH

Ácido acético

Glucosa Ácido láctico

COOH

CH-OH

CH3

Glicólisis COOH

C=O

CH3

3

NADH NAD+

Ácido pirúvico

Lactato deshidrogenasa

2 ATP 2 NADH

FERMENTACIÓN ÁCIDO MIXTA CH2OH

1 1/2

CoA-SH

2 HCOOH Ac. Fórmico

CH3 CO-S-CoA

CoA-SH NADH

NAD+

CH3CHO

Pi

CoA-SH

CH3CO-P CH3COOH

Acetil fosfato

CH3CH2OH

Etanol Acetaldehído

Formato deshidrogenasa

NADH

2 NAD+

2H2 2CO2

Acetaldehído deshidrogenasa

Fósforo reductasa

ADP ATP

Mg2+

NADH NAD+

Etanol deshidrogenasa

Acetato deshidrogenasa

Fermentación ácido mixta

Fermentación propiónica

Fermentación butírica

Fermentación butanodiólica

EJEMPLOS DE ALGUNOS TIPOS DE FERMENTACIÓN Y MICROORGANISMOS QUE LA PRODUCEN

TIPO DE FERMENTACIÓN PRODUCTOS PRINCIPALES EJEMPLOS ALCOHÓLICA ETANOL Y CO2 LEVADURAS

HOMOLÁCTICA ÁCIDO LÁCTICO Lactobacillus y Streptococcus

HETEROLÁCTICA ÁCIDO LÁCTICO, ETANOL Y

CO2 Lactobacillus y Leuconostoc

ÁCIDO MIXTA

2-3 BUTANODIOL, BUTANOL, ÁCIDO

SUCCÍNICO, LÁCTICO, ACÉTICO, FÓRMICO, H2 Y

CO2

Enterobacterias: Shigella, Salmonella, Klebsiella, E.

coli

BUTÍRICA BUTIRATO, ACETATO, H2 Y

CO2 Clostridium butyricum

PROPIÓNICA PROPIONATO, ACETATO Y

CO2 Propionibacterium

Clostroidium propionicum

ACÉTICA ACETATO Acetobacterium

Clostridium aceticum

Respiración aerobia

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Ciclo de Krebs

Ciclo de Krebs

• En los organismos aerobios las rutas metabólicas responsables de la degradación de los glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos convergen en el ciclo de Krebs, que a su vez aporta poder reductor a la cadena respiratoria y libera CO2.

Catabolismo oxidativo de glúcidos, ác. grasos y a.a • 1ª etapa: glucólisis, vía catabólica de ác. grasos. • 2ª etapa: Ciclo de Krebs (a.a intermediarios) • 3ª etapa: Poder reductor a través de CTE y generación de

ATP medianta la F.Ox.

• El C.K. ocurre en las mitocondrias de las células eucariotas y en el citoplasma de las células procariotas.

• La acetil-CoA generada por los diferentes catabolismos se condensa con el oxalacetato y genera citrato.

• Isomerización del citrato en isocitrato.

• Formación de α-cetoglutarato por la acción de la isocitrato deshidrogenasa liberando CO2 y reducción de NAD+.

• El α- cetoglutarato se tranforma en succinil-CoA hay una descarboxilación y se reduce el NAD+, que es la coenzima de la α-cetoglutarato deshidrogenasa.

• La succinil-CoA genera un enlace fosfoanhidro entre un fosfato y un GDP para dar 1GTP por fosforilación a nivel de sustrato. La histidina foforilada transfiere el grupo fosfato al nucleótido. Se libera HSCo-A. Se forma succinato.

• El succinato es oxidado a fumarato por la succinato deshidrogenasa, enzima que tiene como cofactor al

FAD+ (la energia asociada a la reacción no es suficiente para reducir al NAD+)

• La fumarasa cataliza la hidratación del fumarato formando malonato.

• El malato se oxida a oxalacetato, se reduce el NAD+.

CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES

• En los procariotas la cadena de transporte electrónico de la respiración se encuentra en la membrana plasmática.

• La obtención de ATP a partir de la oxidación de NADH y FADH2 se realiza mediante la fosforilación oxidativa. El primer paso es la entrada de los electrones en la cadena respiratoria.

• Entonces los electrones son transferidos a una serie de transportadores asociados a membrana. Estos transportadores son de naturaleza proteica y tiene grupos prostéticos capaces de aceptar/donar electrones.

• En la cadena respiratoria intervienen tres tipos de moléculas capaces de transportar electrones:

• Ubiquinona (CoQ) • Citocromos (proteínas que tienen como grupos

prostéticos grupos hemo con hierro) • Proteínas con agrupaciones sulfo-férricas.

• El complejo I (NADH): ubiquinona oxidorreductasa transporta los electrones del NADH a la ubiquinona.

• El complejo II (succinato deshidrogenasa) pasa los

electrones del FADH2 a la ubiquinona. • El complejo III (citocromo bc1):citocromo c

oxidorreductasa acopla la transferencia de electrones desde la ubiquinona al citocromo c.

• El complejo IV (citocromo oxidasa)conduce los

electrones desde el citocromo c hasta el último aceptor de los electrones: el oxígeno que se reduce a agua.

Fosforilación oxidativa • La fosforilación oxidativa es un proceso metabólico que

utiliza energía liberada por la oxidación de nutrientes para producir ATP.

• La síntesis de ATP está catalizada por la ATP sintetasa.

• ATP sintetasa (complejo V) es la enzima final del proceso de la fosforilación oxidativa.

• La teoría más aceptada es la de Mitchell, que propone que los transportadores de electrones además de transportar electrones bombean protones al espacio intermembrana en donde se crea un gradiente electroquímico de protones.

• El potencial electroquímico de este gradiente es aprovechado por la ATP sintasa para sintetizar ATP.

FAD+ 2H+ + 2e- FADH2 +0.031

Cuando el último aceptor de electrones es el oxígeno estamos hablando de respiración aerobia. Cuando compuestos como los sulfatos,

nitratos y carbonatos, actúan como aceptor final de electrones; estamos hablando de respiración anaerobia.

RESPIRACIÓN ANAEROBIA Proceso anaeróbico productor de energía en el que el aceptor de la cadena transportadora de electrones es una molécula inorgánica oxidada. Aceptor e- Productos

reducidos Ejemplos m.o.

NO3- NO2- Enterobacterias

NO3- NO2-, N2O,N2 Pseudomonas y Bacillus

SO42- H2S Desulfovibrio y Desulfotomaculum

CO2 CH4 Metanógenos

S0 H2S Desulfuromonas y Thermoproteus

Fe3+ Fe2+ Pseudomonas y Bacillus

GENERACIÓN AUTOTRÓFICA DE ATP

• Fotosíntesis es la conversión de energía lumínica en energía química.

Esta energía química se utiliza para convertir el CO2

en compuestos carbónicos reducidos(azúcares)

Proceso anabólico por el cual ciertas células capturan la energía lumínica del sol y la convierten en energía química. Ocurre en los cloroplastos de las células eucariotas y en sistemas membranosos dentro del citoplasma de las células procariotas.

El ATP es producido mediante una transferencia de energía luminosa absorbida por el sistema de pigmentos fotosintéticos (fotofosforilación).

Se utiliza el agua como donador de e- para la

formación de oxígeno como producto fotosintético (fotosíntesis oxigénica). Ej.: plantas, algas, cianobacterias

Ciertos procariotes utilizan compuestos inorgánicos

(compuestos de azufre) (fotosíntesis anoxigénica). Ej.: sulfobacterias púrpuras, sulfobacterias verdes, bacterias verdes

• A) plantas, algas, cianobacterias • B) bacterias púrpuras, verdes del azufre,

bacterias rojas

• Fotosíntesis: • 1) Reacciones dependientes de la luz

(fotofosforilación)

• 2) Reacciones independientes de la luz (Ciclo de Calvin-Benson)

Todos los organismos fotosintéticos tienen

pigmentos para la absorción de la luz: • Clorofilas (eucariotas y cianobacterias) • Bacterioclorofilas (bacterias verdes y

púrpuras)

• La energía química obtenida durante la fase luminosa es utilizada para reducir CO2, nitratos y sulfatos y sintetizar componentes celulares (glúcidos, aminoácidos, ácidos grasos, etc) en las reacciones oscuras (fase oscura).

Ciclo de Calvin

Quimiolitotrofía Es un tipo de metabolismo en la cual la energía se obtiene de la oxidación de compuestos inorgánicos. La quimiolitotrofía tiene dos funciones importantes: • la generación de la energía (ATP) • la generación de potenciales reductores

(NADH)

• Oxidación del hidrógeno • Oxidación del azufre • Oxidación del hierro ferroso (Fe 2+) • Nitrificación (amoniaco NH3 a nitrato NO3

-) • Oxidación del ión amonio NH4

+

Nitrificación Es la oxidación biológica de amonio con oxígeno en nitrito, seguido por la oxidación de esos nitritos en nitratos. La primera etapa la hacen bacterias (entre otras) del género microbiológico Nitrosomonas y Nitrosococcus. La segunda etapa la hacen, mayormente, bacterias del género Nitrobacter. En ambas etapas se produce energía que se destina a la síntesis de ATP. Estos microorganismos nitrificantes son quimioautótrofos, y usan dióxido de carbono como su fuente de carbono para crecer.

1. NH3 + O2 → NO2− + 3H+ + 2e−

2. NO2− + H2O → NO3

− + 2H+ + 2e−

REQUERIMIENTOS NUTRICIONALES Y CLASIFICACIÓN FISIOLÓGICA

FUENTE DE : PROCESO FISIOLÓGICO

ENERGÍA LUZ FOTOTROFÍA

QUÍMICA QUIMIOTROFÍA

CARBONO CO2 AUTOTROFÍA

ORGÁNICO HETEROTROFÍA DONADOR INICIAL DE

ELECTRONES INORGÁNICO LITOTROFÍA

ORGÁNICO ORGANOTROFÍA

ACEPTOR FINAL DE ELECTRONES

ORGÁNICO FERMENTACIÓN INORGÁNICO RESPIRACIÓN ANAEROBIA

O2 RESPIRACIÓN AEROBIA

CO2 AUTOTROFÍA, FOTOSÍNTESIS,

METANOGÉNESIS