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FISIOLOGÍA Nutrición, procesos para la obtención de energía, metabolismos

Gloria Levicán2008

Microbiología I

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COMPOSICIÓN ATÓMICA DE UNA CÉLULA

Macronutrientes: CHONSP, 1% o más

Micronutrientes, elementos trazas:

1% o menos, K, Fe, Ca, Na, Cl, y otros 20 más

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Macronutrientes• Carbono: compone el 50% del peso seco

-- autótrofos: necesitan el CO2 atmosférico.

-- heterótrofos: compuestos orgánicos como azúcares, aa, compuestos aromáticos, bases nitrogenadas, etc.

• Nitrógeno: compone el 12% del peso seco-- fijadoras de nitrógeno: lo obtienen del

nitrógeno atmosférico

-- la mayoría lo obtienen de fuentes inorgánicas como amonio (NH4

+) o nitrato (NO3-)

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Otros macronutrientes• Fósforo: tanto orgánico como inorgánico,

se requiere para la síntesis de ácidos nucleicos y fosfolípidos

• Azufre: rol estructural en las proteínas, presente en muchas vitaminas (tiamina, biotina, ác. lipoico, coenzima A). La mayoría lo obtiene de fuentes inorgánicas como sulfato (SO4-2) o sulfuro (HS-)

• Potasio: es requerido por todos los organismos, involucrado en la actividad de enzimas y síntesis de proteínas

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• Magnesio: estabiliza los ribosomas, membrana celular y ácidos nucleicos; requerido por enzimas

• Calcio: (en muchos casos no es esencial), estabiliza la pared celular y indispensable en la estabilidad de las endoesporas.

• Sodio: (requerido por muchas, pero no todas), relacionado con la salinidad del ambiente de crecimiento

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Hierro

• participa en la respiración celular, es parte de los citocromos y proteínas de Fe-S, catalasas, peroxidasas, oxigenasas, todas las nitrogenasas

• para su obtención, las bacterias producen agentes quelantes de hierro (como Fe+3), llamados SIDERÓFOROS y ENTEROBACTINAS

• los sideróforos son derivados del ác. hidroxámico

• las enterobactinas son complejos fenólicos, derivados del catecol

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Sideróforos

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Enterobactina de E.coli

Aquachelin

Sideróforos

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• Cobalto: vitamina B12, transcarboxilasa• Cobre: respiración, citocromo c oxidasa, fotosíntesis,

superóxidodismutasas• Manganeso: activador de muchas enzimas• Molibdeno: enzimas que contienen flavina, nitrogenasa, nitrato

reductasa, sulfito oxidasa• Niquel: hidrogenasas, coenzima F430 de metanógenas, ureasa,

COdeshidrogenasa• Selenio: deshidrogenasa de formiato, hidrogenasas, aminoácido

selenocisteína• Tungsteno: deshidrogenasa de formiato, oxotransferasa de

hipertermofílicas• Vanadio: nitrogenasa vanadio, bromoperoxidasa• Zinc: anhidrasa carbónica, alcohol deshidrogenasa, RNA y DNA

polimerasa y varias prots. de unión a DNA

Otros metales

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COMPOSICIÓN MACROMOLECULAR DE UNA CÉLULA PROCARIÓTICA

Molécula Peso seco % Moléculas/célula Tipos diferentes

Macromoléculas 96 24.610.000 ~2500

Proteínas 55 2.350.000 ~1850

Polisacáridos 5 4.300 2

Lípidos 9.1 22.000.000 4

Lipopolisacáridos 3.4 1.430.000 1

DNA 3.1 2.1 1

RNA 20.5 255.500 ~660

Monómeros 3.0 ~350

Aminoácidos 0.5 ~100

Monosacáridos 2 ~50

Nucleótidos 0.5 ~200

Iones inorgánicos 1 18

Total 100%

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CLASIFICACIÓN METABOLISMO SEGÚN FUENTE DE CARBONO

AUTOTROFÍA HETEROTROFÍA

Compuestos orgánicosCO2

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Ciclo de Calvin

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Vía autotrófica de bacterias verdes: ciclo del ácido cítrico reverso

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Factores de crecimiento• compuestos orgánicos

• son requeridos en pequeñas cantidades

• sólo los requieren algunas células

• vitaminas, aminoácidos, purinas, pirimidinas

• algunos m.o. no lo pueden sintetizar y lo necesitan del ambiente

• muchas vitaminas son parte de coenzimas

• las bacterias lácticas tienen un requerimiento de vitaminas mayor que el propio ser humano

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Vitaminas

• Las más comunes:– tiamina (vitamina B1)

– biotina

– piridoxina (vitamina B6)

– cobalamina (vitamina B12)

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CARACTERÍSTICAS MEDIOS DE CULTIVO

Mínimos, pobres, definidos, sintéticos:

+ CHO, CO2

+ NH4, NO3, N2

+ H20, O2

+ Fosfatos, sulfatos+ Trazas ** Ricos, complejos, indefinidos:

+ CHO en mezclas+ NH4 y R-NH2

+ H20, O2

+ Fosfatos, sulfatos+ Trazas **

** generalmente no se agregan a los medios de cultivo, porque son contaminantes de los demás componentes

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PROCESOS PARA OBTENER ATP

Fotofosforilación

Fosforilación oxidativa

Fosforilación a nivel de sustrato

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Fotofosforilación

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Diversidad de organismos fotosintéticos

Bacterias púrpuras no del azufre

Bacterias púrpuras del azufre

Prochloron, otros??

Bacterias verdes no del azufreAlgas unicelulares (por ej., euglenoides, dinoflagelados, diatomeas)

Bacterias verdes del azufreAlgas verdes, pardas y rojas multicelulares

CianobacteriasPlantas superiores

Organismos procariotesOrganismos eucariotes

Más de la mitad de la fotosíntesis enel planeta es realizada por m.o.

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• En células eucariotas y en cianobacterias, existen dos tipos de antenas asociadas a dos fotosistemas diferentes:– fotosistema I: absorbe luz con una longitud de

onda mayor, 680 nm y dirige la energía a una clorofila a llamada P700

– fotosistema II: atrapa la luz de long. de onda más corta, 680 nm y la transfiere a una clorofila especial P680.

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cloroplasto en eucarionte

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Fotosíntesis oxígénica: Cianobacterias

Clorofila a

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• Los electrones fluyen desde el agua hasta el NADP+ con la ayuda de la energía procedente de dos fotosistemas, y se sintetiza ATP mediante fotofosforilación no cíclica.

• Cuando hay exceso de poder reductor (NADPH) el ATP se forma mediante la fotofosforilación cíclica en que sólo participa el fotosistema I.

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Fotosíntesis en bacterias, excluyendo cianobacterias

• Su clorofila absorbe a longitudes de onda un poco más largas que la clorofila de plantas

• Usa compuestos de H2 (H2S) en vez de H2O

• Generalmente son anaerobios estrictos y pueden vivir sólo en ausencia de O2, no liberan O2 como producto de la fotosíntesis

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En las bacterias la fotosíntesis ocurre en la membrana citoplasmática

Rhodobacter capsulatus (Cromatóforos)

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Bacterioclorofilas a-g

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Fotosíntesis anoxigénicaen bacterias púrpura.

RC: Bacterioclorofila a y tres polipéptidos L, M y H

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Bacteria púrpura fototrófica

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En bacterias púrpuras se requiere de un flujo de e reverso (Q tiene un potencialmás positivo que la pareja NAD+/NADH).

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Plantas de secado de agua de mar : El rojo se debe a Halobacterium

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Bacteriorodopsina

Halobacterium: Un tipo de fototrofía muy primitivo?

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Fosforilación oxidativa

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Respiración

• los electrones son transferidos a un aceptor final• si el aceptor final es el oxígeno se llama

RESPIRACIÓN AERÓBICA• si el aceptor final es diferente al oxígeno se llama

RESPIRACIÓN ANAERÓBICA• los aceptores distintos al oxígeno pueden ser:

nitrato (NO3-), ión férrico (Fe3+), sulfito (SO4

2-), carbonato (CO3

2-), y también compuestos orgánicos.

• es más eficiente energéticamente cuando el oxígeno es el aceptor de electrones

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Respiración aeróbica: Partamos en ciclo de Krebs

• ciclo de Krebs, en que en una secuencia de reacciones los grupos acetilos son oxidados a CO2

• cadena transportadora de electrones

• fosforilación oxidativa: ATPasa

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(Desnitrificación)

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Inorgánico

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Quimiolitotrofía

• microorganismos que pueden oxidar compuestos inorgánicos para obtener energía

• fijan el CO2, (quimiolitoautotrofía)

• Ejemplos: bacterias nitrificantes, Acidio-thiobacillus y otras bacterias azufradas

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Características de bacterias quimiolitotróficas

Grupo y género representativo

Fuente de energía

Productos

Bacterias nitrificantesNitrosomonasNitrobacter

HNO2

NH3

HNO3

HNO2 + H2O

Bacterias azufradas no-fotosintéticasThiothrixAcidithiobacillus

H2S

S0

H2O + S0

H2SO4

Bacterias de FeSiderocapsa, Acidithiobacillus

Fe+2 Fe+3 + OH-

Bacterias del hidrógenoHydrogenomonas H2 H2O

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Bacterias del hidrógeno

PseudomonasParacoccusAlcaligenes

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Bacterias del hierro

Acidithiobacillus ferrooxidansLeptospirillum ferrooxidans

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Bacterias nitrificantes: Oxidación de amoniaco

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Bacterias nitrificantes: Oxidación de nitrito

+0.43 V

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Fosforilación a nivel de sustrato

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Proceso global de fermentación

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Veamos algunos ejemplos de fermentación

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Producción de ácido láctico por bacterias fermentativas:

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La vía de Entner-Doudoroff

6-fosfogluconato dehidrasa

Metabolización de la glucosa en Pseudomonas: Vía Entner-Doudoroff

cetodesoxiglucosa-fosfato aldolasa

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Fermentaciones• Homoláctica:

– no produce gas– en lactobacilos, estreptococos– para hacer quesos– células de mamíferos

• Alcohólica:– se desprende CO2

– intermediario es el acetaldehído– raro en bacterias, común en levaduras– en la preparación de cervezas y vinos

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Fermentaciones• Acido-mixta:

– se produce ácido acético, ácido succínico, etanol, CO2, H2O

• Propiónica:– se produce ácido propiónico, ácido acético, CO2

• Butanediol:– se produce 2,3-butanediol y CO2

– uno de los intermediarios es la acetoína, que se detecta mediante el test Voges-Proskauer

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Fermentaciones• Butírico-butílica:

– se produce ácido butírico, butanol, alcohol isopropílico, acetona, etanol y CO2

– característico de Clostridium que causan tétanos y botulismo

– produce olor a rancidez en mantequilla y quesos

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Producción de hidrógeno molecular a partir de piruvato: Equilibrio de óxido-reducción.

66Fermentación acoplada de aminoácidos, reacción de Stickland

Algunos grupos de Clostridios obtienen la energía fermentando aminoácidos.

C. sporogenes

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Descomposición anóxica

La interacción cooperativa de varios grupos fisiológicos de procariotas permite la formación de metano a partir sustancias complejas.

Dónde ocurre la metanogénesis

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El CO2 como aceptor de electrones

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Metanogénesis de las metanosarcinas

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Este es el mundo microbiano del rúmen de la vaca…

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Interacción metabólica