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PRESENTACIONES MICROBIOLOGIA ELSA MIJANGOS
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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
11
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
12
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