metabolismo bacteriano. metabolismo definición: conjunto de reacciones bioquímicas que permiten el...

METABOLISMO BACTERIANO

Metabolismo

Definición: conjunto de reacciones bioquímicas que permiten el crecimiento de un organismo. En bacterias aumento del número de células

Tipos: Reacciones de mantenimiento para obtener

Energía Poder reductor Precursores metabólicos

Anabolismo (biosíntesis): usa energía y poder reductor

Nociones generales de metabolismo energético La energía se requiere

continuamente para: Biosíntesis (anabolismo) Transporte activo Translocación de proteínas a través de la

membrana citoplásmica Movimiento flagelar Bioluminiscencia

Conservación de energía intracelular (I)

Principalmente por síntesis de ATP

¿Cómo se obtiene el ATP? Fosforilación a nivel de sustrato Fosforilación oxidativa Fotofosforilación

Conservación de energía intracelular (II) En todas las fosforilaciones energéticas

hay reacciones redox exergónicas: Se libera energía libre

Una reacción redox exergónica se puede acoplar a la obtención de trabajo útil: Formación de un compuesto rico en energía Formación de un gradiente de concentración

y/o de carga eléctrica a ambos lados de la membrana

En ambos casos, el trabajo se puede convertir finalmente en ATP

FUENTES DE ENERGIA DE LOS MICROORGANISMOS

Tipos de metabolismos energéticos Energía de sustancias químicas

quimiotrofía Quimiolitotrofía: energía química a partir de

sustancias inorgánicas Quimioorganotrofía: energía química a partir de

sustancias orgánicas

Energía de radiaciones fototrofía Fotolitotrofía: captación de energía lumínica con

nutrición exclusiva a partir de sustancias inorgánicas

Fotoorganotrofía: captación de energía lumínica con requerimiento de sustancias orgánicas

CAPTACIÓN DE ENERGÍA EN LAS BACTERIAS QUIMIOTROFAS FOSFORILACIÓN A NIVEL DE

SUSTRATO. FERMENTACIONES

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. RESPIRACIONES

FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO

Un donador de e- orgánico es oxidado por NAD+ se origina un intermediario con gran energía de hidrólisis acil-P ese P pasa a ADP ATP

Fosforilación a nivel de sustrato. FermentacionesLa fosforilación a nivel de sustrato está acoplada con la fermentaciónEl sustrato orgánico reducido es catabolizado y se produce ATP, generando además equivalentes de reducción (NADH)intermediarios oxidados de la ruta catabólicaEs característico de las fermentaciones que los equivalentes de reducción reaccionen con esos intermediarios, regenerándose el cofactor en forma oxidada (NAD+) y generando productos de fermentación.

Fosforilación a nivel de sustrato

Fermentaciones: regeneración de NAD+ y productos de fermentación

Algunos tipos de fermentación

Nombre fermentación

Productos principales

Láctica Láctico

Alcohólica Etanol, CO2

Ácida mixta Etanol, succínico, acético, fórmico, láctico, CO2, H2

Butilénglicólica Butilenglicol, CO2

Acetono-butírica Acético, acetona, butírico, butanol, CO2,

H2

Fermentaciones microbianas comunes

Fosforilación a nivel de sustrato. Fermentaciones

La fosforilación a nivel de sustrato está acoplada con la fermentación

Se produce ATP y NADH Al regenerarse el NAD, se produce y libera

un producto de fermentación El dador y el aceptor de electrones son

compuestos orgánicos El aceptor de e- es un compuesto endógeno El rendimiento energético es menor que el

de la fosforilación oxidativa.

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. RESPIRACIONES Respiración: es la obtención de energía por

oxidación de sustratos reducidos (orgánicos o inorgánicos), en la que las coenzimas reducidas (ej., NADH) transfieren los e- a un aceptor final exógeno oxidado, a través de una cadena transportadora de electrones (c. t. e)

La obtención de energía ligada a las respiraciones se llama fosforilación oxidativa

c.t.e. gradiente H+ ATP

Respiraciones según el tipo de donador y de aceptor de e- Según el tipo de donante de e-:

En los quimiolitotrofos el donante es una sustancia inorgánica

En los quimiorganotrofos respiradores el donante es una sustancia orgánica

Según el aceptor final de electrones: Si es O2: respiración aerobia

Si es distinto del O2: respiración anaerobia

Cadena transportadora de electrones

La c.t.e. está formada por una serie ordenada de moléculas transportadoras situadas (en bacterias) en la membrana citoplásmica (y en sus invaginaciones), moléculas que sufren oxidaciones y reducciones reversibles.

Componentes de las c.t.e. respiradoras NADH deshidrogenasas: aceptan H Flavoproteínas (con FMN o FAD):

aceptan H, pero ceden solo e-. FeS-proteínas no hémicas: solo

transportan e-. Quinonas (ubiquinona,

menaquinona): aceptan H, pero ceden solo e-.

Citocromos: aceptan y ceden e-.

FMN

Centros de las FeS proteínas no hémicas

CoQ, una quinona

Cadena de electrones (en Paracoccus)

Detalle del funcionamiento del c.t.e. de Paracoccus, similar a la de mitocondrias

Los electrones fluyen en la c.t.e. desde los E’0 más electronegativos a los más positivos

Algunos de los transportadores transportan átomos de H, pero otros solo ceden electrones existen bucles que translocan protones (H+) afuera

Pero la membrana es impermeable a los protones los H+ no pueden entrar directamente

Se crea un gradiente electroquímico de protones. Este gradiente es una forma de energía potencial que puede realizar trabajo: fuerza protón motriz

Flujo de electrones y protones

Para que sirve el gradiente de H+?

Transporte activo ligado a simporte de iones

Rotación del motor flagelar Formación de enlaces fosfato de alta

energía en forma de ATP

Motor flagelar

Simporte de iones

Mecanismo de la ATP-sintasa dependiente de protones

La ATP-sintasa

Porción transmembrana F0 : canal integral, que trasloca los protones. La subunidad “a” canaliza los H+

Las dos “b” salen hacia el citoplasma, interaccionando con la porción F1

Las 12 subunidades “c” forman un cilindro que puede rotar en ambos sentidos

Porción citoplásmica F1 : estructura globular dotada de los sitios catalíticos

La ATP sintasa convierte el gradiente de H+ en ATP Unos 3-4 protones pasan a través de “a”

de F0, lo que pone en marcha la síntesis rotacional del ATP:

La entrada de los H+ rotación del cilindro de c12

torsión se comunica a F1 a través de

cambio conformacional en subunidades se une ADP+P ATP

El papel de b2 es de estator, impidendo que roten las

Las bacterias anaerobias fermentadoras usan ATPasa Pero la usan en sentido inverso,

como ATP-hidrolasa Aunque su ATP lo obtienen por

fosforilación a nivel de sustrato, necesitan generar gradientes de H+ para el transporte activo y el flagelo

Lo que hacen es convertir parte del ATP en gradiente de H+

La función ATPasa puede degradar ATP y generar gradiente de H+

Diferencias entre fosforilación a nivel de sustrato y la fosforilación oxidativa

Procesos escalares

En citoplasma (enzimas solubles)

Intermediarios metabólicos con –P antes del ATP

Procesos vectoriales

En membranas No hay

intermediarios ricos en energía antes del ATP

Crea un gradiente de H+ que se puede disipar para producir ATP

Diferencias entre fosforilación a nivel de sustrato y fosforilación oxidativa

RESPIRACIONESsegún los tipos de dadores de electrones QUIMIORGANOTROFIA

Utilizan una fuente orgánica de e-. La oxidación de estos compuestos orgánicos reducidos no solo sirve como donantes de e- sino para generar intermediarios metabólicos para biosíntesis.

QUIMIOLITOTROFIA El donador de e- es una molécula inorgánica

reducida.

Quimiolitotrofos

bacterias oxidadoras de hidrógeno (oxidan el H2 hasta H2O)

bacterias oxidadoras del hierro ferrroso (pasan Fe2+ a Fe3+)

bacterias oxidadoras de azufre: de sulfuros (S2-) y azufre elemental (S0) conduce a la producción de ácido sulfúrico (SO4H2)

bacterias nitrificantes, con dos subtipos diferentes: las oxidadoras de amoniaco (llamadas nitrosas,

que respiran NH3 para convertirlo en NO2-) las oxidadoras del nitrito (llamadas nítricas, que

respiran NO2- para convertirlo en NO3-)

RESPIRACIONESsegún los tipos de aceptores de electrones

Respiración AEROBIA El O2 es el aceptor final de e- y junto con los

H+ se reduce a H2O.½ O2 + 2 e- + 2 H+ H2O

Respiración ANAEROBIA Aceptor final de e- diferente del oxígeno.

Diversidad de respiraciones anaerobias

Aceptor Prod. red ejemplos

NO3- NO2

- N2 Pseudomonas, Bacillus

NO3- NO2

- Enterobacterias

SO42- S0 SH2 Sulfatorreductoras

CO2 CH4 Arqueas metanógenas

Fe3+ Fe2+ Pseudomonas, Bacillus

Un MO puede utilizar más de un mecanismo para obtener E

Algunos MO son estrictamente anaerobios (Ej. Arqueas metanógenas y bacterias sulfatorreductoras)

Algunos MO pueden alternar entre respiración aerobia y anaerobia, dependiendo de la disponibilidad de aceptores (bacterias que usan nitratos como aceptores).

Existen bacterias que aparte de tener respiración aerobia y anaerobia (nitratos), pueden usar metabolismo fermentativo (Enterobacterias)

Más sobre respiraciones anaerobias La respiración usando nitratos, sulfatos

y CO2 (como aceptor final de e-) es un uso desasimilativo de estas sustancias (¡no las asimilan!). El producto reducido se excreta al ambiente.

El uso desasimilativo del nitrato se llama desnitrificación, y cuando es completo llega hasta N2 (pasa a atmósfera): NO3

- NO2- NO N2O N2

CAPTACIÓN DE ENERGÍA EN LAS BACTERIAS FOTOTROFAS

FOTOFOSFORILACION

Fototrofía

Capacidad de captar energía de la LUZ

La Fotofosforilación, capacidad de usar la luz para generar ATP, tiene en común con la fosforilación oxidativa que produce también un gradiente electroquímico de protones a ambos lados de una membrana, el cual a su vez alimenta ATP-sintasas.

Fuentes de energía

Tipos de Fotosíntesis

En bacterias tenemos dos modalidades de fotosíntesis en función de que el donador de electrones sea o no H2OFotosíntesis oxigénica : H2O como agente reductor. Se libera O2. (cianobacterias, algas y plantas)

Fotosíntesis anoxigénica: H2, SH2, S2O3-, etc.

Como ag reductor . No se libera O2 (bacterias verdes y purpúreas)

Aparato fotosintético

Fotosistemas: catalizan la conversión de la energía de la luz, capturada por (bacterio)clorofilas en una forma de energía útil. Están constituidos por Complejo antena: captan la luz Centro de reacción: dentro de

estructuras membranosas (tilacoides, cromatóforos o memb. citop.)

Cadenas transportadoras de electrones crean la f.p.m. (gradiente de H+)

Moléculas del aparato fotosintético:

(Bacterio)Clorofila: Tetrapirroles ciclicos quelados con Mg++ y con largas cadenas de alcohol (fitol)

Carotenoides: Forman parte del complejo antena. Ficobiliproteínas (complejo antena de

cianobacterias) en superficie de los tilacoides. (Bacterio)Feofitinas: Similares a las primeras,

pero no están queladas con Mg++. Otros componentes (c.t.e.): quinonas, citocromos

y ferroproteínas no hémicas

Funcionamiento del FOTOSISTEMA

1. La luz capturada por los pigmentos antena llega en forma de “excitones” al centro de reacción, excitando a la bacterioclorofila

2. La bacterioclorofila cede e- a la bacteriofeofitina.

3. Los e- pasan a las ubiquinonas y luego a la cadena transportadora de electrones (citocromos bc1 a cit c2). Finalmente el citocromo c2 transfiere e- a la bacterioclorofila oxidada que vuelve a su estado inicial, quedando el centro de reacción preparado para otro ciclo de excitación.

4. La cadena transportadora de electrones provoca una translocación de protones fuera de la membrana f.p.m. ATP-sintasas ATP (fotofosforilación).

DonadorExógeno de e-

CICLICA

ACICLICA

Fotofosforilación

El funcionamiento de la c.t.e. f.p.m. ATP (por ATP sintasa de membrana)

Tipos de fotofosforilación: Fotofosforilación cíclica :

La (bacterio)clorofila sirve tanto como donador primario como de aceptor final de electrones (los e- no salen del ciclo). No existe aporte de agente reductor externo ni de agente oxidante externo Solo se produce ATP tras crear una f.p.m. No se crea poder reductor. No hay fijación de CO2

Fotofosforilación acíclica: Hay un donante externo de electrones Se genera NAD(P)H se fija CO2

El ATP también se genera a partir de una f.p.m.

Fotofosforilación

Este esquema muestra mejor la disposición “real” de los componentes en la membrana

LOS PROCARIOTAS Y EL OXIGENO

Los procariotas y el oxígeno:

Todos los procariotas presentan enzimas (Ej. Flavoproteínas) que pueden autooxidarse en presencia de O2, dando productos tóxicos: H2O2 (peróxido de hidrógeno) y O2

-

(superóxido)

Protección frente al peróxido: Catalasa (H2O2 H2O + ½ O2)

Peroxidasa (H2O2 + NADH+H+ 2H2O + NAD+)

Protección frente al superóxido: Superóxido dismutasa (2 O2

- + 2 H+ O2 + H2O2)

Reacción de la catalasa

Relaciones de las bacterias con el oxígeno

Aerobias: necesitan O2 para crecer

Aerobias estrictas: usan O2 como aceptor final de electrones para la captación de energía química.

Microaerófilos: requieren para crecer tensiones de oxígeno inferiores a la atmosférica (del 2 al 10% de O2, en lugar del 20%)

Anaerobias pueden crecer en ausencia de O2, debido a que pueden usar aceptores finales distintos del O2, o porque poseen metabolismo estrictamente fermentativo. Estrictas: el O2 les resulta tóxico ya que

carecen de catalasa, peroxidasa y SOD ( Clostridium, arqueas metanogénicas).

Aerotolerantes: presentan un metabolismo energético anaerobio, pero soportan el O2 debido a que poseen enzimas detoxificadoras. (Streptococcus, Leuconostoc, Lactobacillus).

Facultativas: metabolismo energético aerobio o anaerobio, dependiendo del ambiente y la disponibilidad de aceptores finales de electrones (Enterobacterias).

Crecimiento a)aeróbico, b)anaeróbico, c)facultativo, d)microaerófilo, y e)anaerobio

aerotolerante