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METABOLISMO MICROBIANO
FUNDACIÓN H.A BARCELÓ
TECNICATURA DE ANÁLISIS CLÍNICOS
MICROBIOLOGÍA 1° CUATRIMESTRE 2015
Lic. Maria Andrea Camilletti
1) Degradación y obtención de Energía (Catabolismo)
2) Biosíntesis (Anabolismo)
NUTRIENTES
CO2
Moléculas orgánicas
Autótrofos Obtienen el C para la
síntesis de componentes celulares por
reducción del CO2
CO2 (CH2O)n
Heterótrofos Compuesto orgánico se
puede degradar hasta CO2
Estas reacciones involucran oxidaciones que proveen energía y
poder reductor
Necesarios para
Fuentes de C
Poder reductor
E
(CH2O)nCO2 + + Poder
reductorE
1) Transporte activo, movimiento, división celular2) Biosíntesis
ENERGÍA
Luz Ruptura de uniones químicas
Fototrofos Fotosíntesis
anoxigénica
Fotosíntesis oxigénica
Quimiotrofos Reacciones REDOX
a) Puede ser oxidación de un
comp. inorgánico
(Quimiolitotrofos)
b) U Orgánico
(Quimioorganotrofos)
Necesaria para
Fuentes
REPASAMOSALGUNOS
CONCEPTOS DE QUÍMICA
Regla de “LOPE REGA” La Oxidación Pierde Electrones, la Reducción Gana
Dador e-
Aceptor e-
Dador oxidado
Aceptor reducido
REDUCCIÓN
OXIDACIÓN
REACCIONES REDOX
Siempre ocurre de a pares:
Necesito un compuesto que se oxide (pierde e-) y otro compuesto que gana e- (se reduce).
Ej: Lactato + NAD+ NADH + H+ + Piruvato
Se oxida
Se reduce
Potencial REDOX y G°
E° o potencial REDOX refleja la tendencia a captar o perder e-.
Cuanto mayor es la diferencia entre los compuestos involucrados en reacción > es la energía liberada
E° = E° Dador – E° Aceptor
G°: Cambio de energía libre. Es lo que miramos para ver cuanta energía nos dá un proceso
G° = -n.F. EG° < 0 Reacción exergónica, libera EG° > 0 Reacción endergónica,
requiere E
FOTÓTROFOS
Fotótrofos: Fotosíntesis Oxigénica CO2 + 2 H2O CH2O + O2 + H2O
Procesos ocurren en la membrana de los procariotas. Ej: Cyanobacterias
Fotosist I y II
a) Moléculas de clorofila del fotosistema I (P700) son excitadas por la luz y emiten e-
b) P700 P700* (oxidada) + e-
c) Estos e- son captados por NADP+ (se reduce)
a)
b)
c)
Fotofosforilación no cíclica – Fuerza protón Motriz – Síntesis de ATP
Fotofosforilación Cíclica –Fuerza Protón Motriz – Síntesis de ATP
d) Moléculas de clorofila del fotosistema II (P680) también son excitadas por la luz y emiten e-, que pasan por una cadena de transporte y reducen a P700*, esto genera una fuerza H+ motriz que dá lugar a la síntesis de ATP (fotofosforilación no cíclica)
e) P680* es un agente fuertemente oxidante, toma e- del H2O generando O2.
Simultáneamente
e)
d)
Fotofosforilación no cíclica – Fuerza protón Motriz – Síntesis de ATP
Fotofosforilación Cíclica –Fuerza Protón Motriz – Síntesis de ATP
Fotosíntesis: Fase luminosa
Complejo ATP-Sintetasa
12 H2O + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi 6 O2 + 12 NADPH + 12 H+ + 18 ATP
Las bacterias requerirán la generación de PODER
REDUCTOR neto, pues usan CO2 como principal
fuente de carbono.
6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H+ + (CH2O)6 + 6 H2O + 18ADP + 18Pi +12 NADP+
En la fase oscura se requieren de varias moléculas de
ATP y de NADPH para reducir una molécula de CO2
Fotosíntesis: Fase oscura
Fotótrofos: Fotosíntesis anoxigénica No se forma oxígeno en la fotosíntesis realizada por
estas bacterias. Ej: Bacterias púrpuras del azufre
H2S + CO2
(CH2O)n + S°
(CH2O)n + H2SO4S° + CO2
Este tipo de bacterias fotosintéticas, carecen del fotosistema II
Producen ATP sólo por fotofosforilación cíclica
Usan como dadores de electrones H2, H2S, S°
Fotosíntesis Oxigénica Fotosíntesis anoxigénica
e-
H2S
S°
SO42-
CO2
(CH2O)n
e-
ATP
ADPhv
H2O
½ O2
CO2
(CH2O)n
e-
ATP
ADPhv
QUIMIOTROFOS
Quimiotrofos Fuente de energía es un dador de e-
Compuesto reducido compuesto oxidado
Al oxidarse, se convierte en dador de electrones.
A partir del transporte de e- Obtiene Energía
Puede ser:
Inorgánico Quimiolitotrofos Ej: H2 2H+ + 2e- Fe2+ Fe3+ + 1e-
Orgánico Quimioorganotrofos Ej: C6H12O6 CO2 + 24e-
¿Qué hace el microorganismo con la Energía liberada en las Reacciones REDOX?
Usarla en otras reacciones inmediatas Transportarla con transportadores de electrones intermediarios Convertirla en ATP
Transportadores de e-
NAD+ / NADHNADP+ / NADPH
Coenzimas, NO son consumidas durante la reacción, hay reciclaje de las mismas
En rxnes CATABÓLICASCuando actúan como aceptor de e-, se reducen:NADP+ NADPH
En rxnes ANABÓLICASSon dadores de e-, se oxidan:NADH NAD+
¿Cómo genero ATP?
Fosforilación a nivel del sustrato:
Ocurre durante la degradación del sustrato que es usado como fuente de energía
Fosforilación oxidativa: Proceso respiratorio
Fotofosforilación: Usa luz para generar ATP
Fuerza Protón-Motriz
Fuerza mediante la cual puedo
sintetizar ATP por medio de un
gradiente de carga y H+.
• La membrana celular puede existir en un estado “cargado” energéticamente donde quedan separados H+ y OH- en ambos lados de la membrana. Esta separación de carga es un forma de energía análogo al potencial de energía en una batería cargada.
• Este estado energizado de la matriz llamado Fuerza protón Motriz es responsable de las funciones que realiza la cél dependientes de energía tales como sintetizar ATP.
Metabolismo Quimiolitotrofo
Compuesto inorgánico
(H2S, H2, NH3)
Fuerza motrizDe H+
O2
Flujo de e-
NADHNADPH
Biosíntesis
Flujo de Carbono
CO2
ATP
Fuente de energía (dador
de e-)
Respiración Aeróbica
Metabolismo Quimiolitotrofo
En la naturaleza las fuentes que proveen los compuestos inorgánicos son:
Actividad volcánica (H2S) Origen geológico
Agua de mar, sedimentos Origen biológico
Hierro Minería
Desechos agrícolas, tratamiento de aguas Actividad humana
Grandes grupos de acuerdo al sustrato:
1. Bacterias que oxidan H2
2. Bacterias que oxidan compuestos reducidos de S3. Bacterias que oxidan Fe2+
4. Bacterias Nitrosificantes (NH3 NO2-)
5. Bacterias Nitrificantes (NO2- NO3
- )
Metabolismo Quimioorganotrofo
Compuesto orgánico
Fuerza motrizDe H+
O2
Flujo de e-
NO3-
SO42-
S°
Aceptores orgánicos de e-
Flujo de Carbono CO
2
ATP
Respiración Aeróbica
Respiración Anaeróbica
Biosíntesis
Vías catabólicas generadoras de ATP en bacterias quimioorganotrofas y quimiolitotrofas
Quimioorganotrofas
Quimiolitotrofas
Compuestos químicos orgánicos
Compuestos químicos inorgánicos reducidos
Compuestos inorgánicos
RESPIRACIÓN
ADP
ATP
Compuestos inorgánicos
Metabolitos orgánicos
RESPIRACIÓN
FERMENTACIÓN
Vías catabólicas que producen la oxidación de compuestos químicos y la conservación de la energía en ATP
Fermentación Proceso de óxido-reducción
entre diferentes compuestos orgánicos derivados del mismo sustrato fermentable
No requiere O2
Respiración
Proceso de óxido-reducción en el que el dador de e- puede ser un compuesto orgánico o inorgánico reducido y el aceptor final de e- es un compuesto inorgánico:
a) Si es el aceptor final de e- es O2 Respiración Aeróbica
b) Si el aceptor final de e- es otro comp. inorgánico como nitrato, sulfato, carbonato o Fe (III) Respiración Anaeróbica
Vías catabólicas que producen la oxidación de compuestos químicos y la conservación de la energía en ATP
RespiraciónFermentación
Formación de piruvato
Ocurre en fermentación y en respiración
Formación del Piruvato
Glucosa PiruvatoProceso
anaeróbico
Via Glucolíticaó de
Embden-Meyerhof-Parnas
Via del Fosfogluconato
ó de Vía de los fosfatos
de pentosas
Via del ácido 2-ceto-3desoxi-6-fosfoglucónico ó
deEntner Doudoroff
Obtención de ATP por fosforilación a nivel del sustrato
Via Glucolítica ó de Embden-Meyerhof-Parnas (EMP)
Via del Fosfogluconato ó de Vía de los fosfatos de pentosas
Via del ácido 2-ceto-3desoxi-6-fosfoglucónico ó deEntner Doudoroff
Fermentación
Vía metabólica donde los compuestos orgánicos generan piruvato y las transformaciones posteriores de este compuesto se dan en anaerobiosis
Es poco eficiente para generar ATP (fosforilación a nivel del sustrato)
Fermentación
a) Fermentación alcohólica
Ej. Saccharomyces, Zymomonas
b) Fermentación láctica
Ej. Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus
Resumiendo…
Las fermentaciones son procesos microbianos en los cuales ocurren transformaciones de compuestos orgánicos controladas enzimáticamente
Por medio de la ruptura de la molécula de glucosa (glucólisis) se pierden e- que pasan al piruvato
El producto resultante de desecho es excretado fuera de la célula
Estos productos de fermentación pueden ser: etanol, butanol, ácido láctico, acetona, dióxido de carbono, etc.
Respiración
Respiración
I. Formación del piruvato
II. Ciclo de Krebs
III.Cadena respiratoria
(Fosforilación oxidativa)
Obtención de ATP por fosforilación a nivel del sustrato
Via Glucolítica ó de Embden-Meyerhof-Parnas (EMP)
Ciclo de Krebs
Cadena Respiratoria – Fosforilación oxidativa
Cadena respiratoria
Fosforilación oxidativa
Cadena respiratoria
Conjunto de proteínas ancladas en la membrana
Cadena de transporte de e-, siempre es unidireccional
Los componentes pueden ser difusibles (ej: NAD+, NADP+) o fijos (Flavoproteínas, quinonas, citocromos); y transportan e- y H+
Como consecuencia tengo un gradiente: Carga H+
Fuerza Protón-Motriz
Síntesis ATP
Fosforilación oxidativa
Formación de ATP asociado a un proceso REDOX
Proceso complejo que permite obtener > Energía
Requiero de:
Dador e- Aceptor e- Cadena de transporte de
e-Ej: O2 (aerobios)
NO3-; SO3
-; SO4
2-
(aerobios)
Ej: Compuesto orgánico o inorgánico reducido
RESUMIENDO
CATEGORÍAS NUTRICIONALES DE LOS MICROORGANISMOS
FOTOTROFOS QUIMIOTROFOS
Fuente de Energía Luminosa Oxidación de compuestos
químicos orgánicos e inorgánicos
LITOTROFOS ORGANOTROFOS
Dadores de electrones o de
átomos de Hidrógeno
Compuestos inorgánicos reducidos
Compuestos orgánicos reducidos
AUTÓTROFOS HETERÓTROFOS
Fuente de Carbono CO2 Nutrientes orgánicos
CONSUMIDORES = HETERÓTROFOS
PRODUCTORES = AUTÓTROFOS
M.Org + O2
CO2 + H2ORespiración aerobia
CO2 + H2OM.Org+ O2
Fotosíntesisoxigénica
SO4 2-
S 2-
S °
S 2-
NO3 -
NO2 -; N2O;
N2Fe 3+
Fe 2+
M.O +
Respiración anaerobia
CO2
Fermentación
M.O (alta energía) M.O (baja energía)
FotosíntesisAnoxigénica
CO2
+
SH2
S °
S2O32-
H2
Comp. Org. reducidos
S °
SO42-
H2OComp. Org. Oxidados
M.O +
Litoautotrofia
CO2
M.O
SH2;
NH3; CH4; H2
Fe2+
SO42-; NO2-;
NO3-; CO2; H2OFe3+
CATEGORÍAS NUTRICIONALES DE LAS BACTERIAS
Categoría Fuentes de
Energía
Fuentes de
Electrones/
Hidrógeno
Fuente de Carbono
Bacterias representativa
s
Fotolitoautótrofos Luz H2O, H2S, S
CO2 Cianobacterias,Bacterias sulfúreas púrpuras y verdes
Fotoorganoheterótrofos
Luz Compuestos orgánicos
Compuestos Orgánicos
Bacterias púrpuras no sulfúreas
Quimiolitioautótrofos Oxidación de compuestos inorgánicos
CompuestosInorgánicos: H2, S, H2S,Fe (II), H3N, NO2-
CO2 Bacterias del hidrógeno, Thiobacillus thiooxidans y otros. Thiobacillus ferrooxidans. Nitrosomonas spp. Nitrobacter spp.
Quimioorganoheterótrofos
Oxidación de compuestos orgánicos
Compuestos orgánicos (glucosa)
Compuestos orgánicos
Mayoría de bacterias quimiotrofas, incluyendo las patógenas