METABOLISMO METABOLISMO MICROBIANOMICROBIANO

María Cecilia Arango Jaramillo

Es el estudio de las reacciones químicas que se llevan a cabo en las células

Energía para el movimiento, transporte de nutrientes,etc

Catabolismo

Productos de desecho

Componentes celulares

Nutrientes

Anabolismo

Energía para el desarrollo

Fuente de energía

FASES DEL METABOLISMOFASES DEL METABOLISMO:

• ANABOLISMO : Formación o síntesis de compuestos químicos (Biosíntesis)

• CATABOLISMO : Degradación o descomposición de compuestos

TRANSPORTADORES DE ENERGÍA

• Compuestos ricos en energía :Compuestos ricos en energía : Adenosina triAdenosina trifosfatofosfato ( ATP ) ( ATP ) Guanosina triGuanosina trifosfatofosfato ( GTP ) ( GTP ) Acetil Acetil fosfatofosfato Ácido 1,3-diÁcido 1,3-difosfofosfoglicéridoglicérido Ácido Ácido fosfofosfoenolpirúvico ( PEP )enolpirúvico ( PEP )

COMPUESTOS RICOS EN ENERGÍA :

El ATPATP actúa como transportador de energíatransportador de energía o como intermediario intermediario entre aquellas reacciones que

proporcionan energía y las que la consumen.

Glucosa Energía ATP Energía Lípido

CO2 + H2 O ADP + P ADP + P Ácido Graso+ Glicerol

UTILIZACIÓN DE LA UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA POR LOS ENERGÍA POR LOS

MICROORGANISMOSMICROORGANISMOS

La célula microbiana utiliza la energía para:

• El movimiento.

• La producción de calor.

• La electricidad.

• Biolumniscencia.

La célula microbiana utiliza la energía química para :

• Sintetizar grandes moléculas a partir de otras más pequeñas.

• Transportar sustancias hacia la célula microbiana y organizarlas en su interior.

Sacar las sustancias de desecho de la célula microbiana o para realizar la secreción

• El trabajo mecánico de

las célula microbianas.

Transporte de Nutrientes.

• Difusión simple o pasiva

• Difusión facilitada

• Traslocación en grupo

• Transporte activoTransporte activo

Transporte de Nutrientes.

• Difusión simple o pasiva

• Difusión facilitada

• Traslocación en grupo

• Transporte activoTransporte activo

OBTENCIÓN DE LA ENERGÍA CELULAR

La célula microbiana obtiene su energía de dos maneras :

• Degradando compuestos y liberando su energía

• Almacenando la energía lumínica del sol mediante el proceso de fotosíntesis.

Los procesos por los cuales los microorganismos obtienen su energía

son:• FOTOSÍNTESIS• QUIMIOSÍNTESIS• RESPIRACIÓN

– Aeróbica– Anaeróbica– Fermentación

FOTOSÍNTESIS

Naturaleza de la luz

FOTOSÍNTESIS

La fotosíntesis es el proceso que convierte la energía lumínica en energía química

La fotosíntesis es el proceso que convierte la energía lumínica en energía química

(CH2O )x + O2 + H2O

Carbohidrato

CO2 + 2 H2O

En presencia de luz y clorofila

Estructura del cloroplasto y de las membranas

fotosintéticas. • Los organismos

fotosintéticos procariotes y eucariotes poseen sacos aplanados o vesículas llamadas tilacoides, que contienen los pigmentos fotosintéticos

• Pero solamente los cloroplastos de los eucariotes están rodeados por una doble membrana.

• Excitación de la molécula de clorofila

FASES

DE LA FOTOSÍNTESIS

Clorofila

• Fase lumínica

12 H2O

ADP NADP

18 ATP+ 12 NADPH2 + 6 O2

Productos de la fase lumínica y reacciones de la fase oscura

6CO2 + 18 ATP + 12 NADPH2

Enzima

C6H12O6—P+ 18 ADP + 17 P inorgánico + 12 NADP

Hexosa

Fructosa6-fosfato

GLUCOSAGLUCOSA

H2O

Ribulosa 1,5 difosfato

Ribulosa 1 fosfato

3-fosfogliceraldehído

Acido1,3-difosfoglicérico

Acido3-difosfoglicérico

H2O

ATP

NADPH2

Pi

CO2

Compuesto inestable

ADP +NADP

Ciclo de Calvin o del C3

• Fotosíntesis: reacciones de luz y oscuridad

NO FOTOSINTÉTICOS• Obtienen energía para

sintetizar compuestos orgánicos del desdoblamiento de otros compuestos orgánicos preexistentes.

• No hay ganancia en la cantidad total de compuestos orgánicos.

• Transforman biomasa.

• Por medio del ciclo del carbono, todas las célula microbianas, autótrofas o no, pueden utilizar el bióxido de carbono.

• La conversión de CO2 en compuestos orgánicos requiere energía.

FOTOSINTÉTICOS • Forman compuestos

orgánicos durante la fotosíntesis

• Utilizan energía procedente de la luz

• Aumentan la cantidad total de compuestos orgánicos. Sintetizan biomasa.

RESPIRACIÓN:DESASIMILACIÓN DE

COMPUESTOS ORGÁNICOS Y LIBERACIÓN DE ENERGÍA

RESPIRACIÓN: Proceso por el cual la célula microbiana libera la energía almacenada en los alimentos.

• Este proceso ocurre en las mitocondrias en la mayoría de las células eucariotes o en la membrana celular de las células procariotes

• http://www.microbelibrary.org/images/Tterry/HTMLpages/mitochondrialrespiration-Spanish.htm

Tipos de respiración

• Respiración aerobia.

• Respiración anaerobia (Fermentación).

RESPIRACIÓN AEROBIA

C6H12O6 + 6 O2

Enzimas

6CO2 +6 H2O+Energía (38 ATP)Energía (38 ATP)

G = -686 KcalG = -686 Kcalhttp://www.umb.edu.co/umb/cursos/Bioquimica/Modulo3/mod3a.htm

Rata de producción de energía por combustión

y por respiración celular

GLUCOSA

C

CC

C

C

C

C

C

C

C

CCCC

CC

CC

CCC

CCC

E

E

E

E

EE

RESPIRACIÓNCOMBUSTIÓN

La glucólisis, ruta metabólica común a

todos los organismos

A partir la glicólisis pueden darse la respiración aerobia o la anaerobia.

Ciclo de Krebs

o

Ciclo del ácido

tricarboxílico (ATC)

El conjunto de reacciones del ciclo ATC se puede resumir en la siguiente forma:

Acetil-CoA + 3H2O + 3NAD+ + FAD+ + ADP + Pi

2CO2 + CoA + 3NADH2 + FADH2 + ATP

• Una molécula de glucosa da lugar a dos de acetil- CoA, que pueden entrar en este ciclo

• El total será el doble del indicado en esta reacción

• Fosforilación oxidativa: formación directa de ATP a partir de ADP y Pi

• La ATPasa utiliza el potencial eléctrico que se crea por la diferencia entre la concentración de protones (H+) entre el lado externo y el lado interno de la membrana interna de la mitocondria: una verdadera pila voltáica biológica

• En la respiración los electrones son transferidos de manera secuencial a través de una serie de proteínas transportadoras adosadas a la membrana celular.

• Esta es la cadena de cadena de transporte de transporte de electrones.electrones.

Los electrones son eliminados de los transportadores de energía por medio de la reducción de algún aceptor terminal de electrones como:

• el oxígeno (en la respiración aeróbica)

• nitrógeno, sulfato o dióxido de carbono (en la respiración anaeróbica).

NADH2

NAD+

Sustancia reducidaSustancia oxidada

ATP

ATP

ATP

FADH2 FAD

FMN

FMNH2

CoQ CoQH2

H+

Flavoproteína

ADP + P

ADP + P

ADP + P

Coenzima Q

Citocromo b-

Citocromo c1-

Citocromo c-

Citocromo a-/a3

Fe+2

Fe+3

Fe+2

Fe+3

Fe+3

Fe+2

Fe+2

Fe+3

O2H2O

Figura 45. Cadena de transporte electrónico

• La cadena se acopla al ciclo de Krebs para convertir la energía liberada en él, en ATP--> fosforilación oxidativa.

• Capta electrones a partir de compuestos reducidos y los transfire al aceptor final, el oxígeno, con la consiguiente formación de agua.

CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO :

Secuencia de reacciones de oxidación-reducción para la generación de ATP.

• Rendimiento total en ATP por molécula de glucosa

El rendimiento total en ATP por respiración aeróbica a partir de una molécula de

glucosa• La oxidación completa de la glucosa, vía

glucólisis, ciclo ATC y cadena respiratoria, se resume en la reacción siguiente:

C6H12O6 + 6O2

6CO2 + 6H2O + 38 ATP (= 686 Kcal)

RESPIRACIONES ANAEROBIAS

• El oxígeno gaseoso no interviene.

• El aceptor de electrones es un compuesto distinto al oxígeno.

• Cuando el aceptor es un compuesto como orgánico se denomina fermentación

• Cuando es inorgánico respiración anaerobia

• La respiración sin oxígeno, está restringida en gran parte a los saprófogos (bacterias, levaduras, mohos, protozoos).

Fermentación

GLUCOSA

Glucólisis

2C3H4O3 (ácido pirúvico) + 4H

2C2H5OH + 2CO2 +2 ATP

Alcohol etílico Dióxido de carbono Energía

• En ausencia de oxígeno, para actuar como aceptor final, el ácido pirúvico sirve a sí mismo como aceptor.

+ 2 NADH + 2 H+

COOH

Ácido pirúvico

CH3

OC2 H

Ácido láctico

2 C CH3 +2NAD+

CH3

COOH

Cuando el aceptor de electrones es un ácido orgánico se le llama fermentación, cuando el aceptor es una sustancia inorgánica como NO2, NO3, SO4, CO3 y fumarato

GLUCOSA

Ácido pirúvico Ácido acético + Ácido fórmico

Ácido succínico

Ácido acéticoAcetona

Acetil CoA Ácido fórmico

Alcohol etílico CO2Ácido acético H2

Diferentes rutas de fermentación

Respiración anaerobia

• En algunas bacterias, al final de la cadena de transporte electrónico, puede existir un aceptor diferente del oxígeno (respiración anaerobia). Los aceptores y sus respectivos productos reducidos (A AH2) son:

• NO3-- N2

• SO42- SH2

• fumarato succinato

• CO2 CH4

• Fe3+ Fe2+

• Con estos aceptores se obtiene menos energía que con el oxígeno, porque la pareja O2/H2O es más oxidante que las otras.

• El uso de nitratos, nitratos, sulfatos y COsulfatos y CO22 como aceptores finales de electrones y no como material a incorporar al metabolismo plástico se denomina metabolismo desasimilativo.

• El producto reducido se excreta al ambiente de la bacteria.

Tipos de quimiolitotrofos

• La capacidad de obtener energía por fosforilación oxidativa a partir de donadores inorgánicos de electrones sólo se presenta en ciertos grupos de procariotas.

Cada grupo fisiológico de quimiolitotrofos usa un tipo de donador inorgánico:

• bacterias de hidrógeno (H2)

• bacterias del hierro (Fe2+)

• bacterias del azufre (S2-, S0).

• bacterias nitrificantes, con dos subtipos diferentes:

• las oxidadoras de amoniaco (llamadas nitrosas)

• y las oxidadoras del nitrito (llamadas nítricas).

• El uso desasimilativo de nitrato se llama desnitrificación,desnitrificación, y ocurre por medio de una serie de fases donde el N va cambiando su estado de oxidación:

NO3-- NO2

- (nitrito) NO (óxido nítrico)

N2O (óx. nitroso) N2 (dinitrógeno)

• Sólo las bacterias sulfatorredutoras usan el sulfato como aceptor de electrones

• Por una ruta especial en la que el sulfato primero tiene que activarse con ATP formando la adenosina-fosfo-sulfato ( APS).

• La mayoría son quimiorganotrofas,quimiorganotrofas, pero algunas quimiolitotrofas quimiolitotrofas pueden usar H2 donador de electrones.

• Las arqueobacterias metanogénicasarqueobacterias metanogénicas son los únicos seres vivos capaces de obtener energía acoplando la oxidación del hidrógeno molecularhidrógeno molecular con el uso de CO CO22 como aceptor de electrones

Actúan en estas condiciones como quimiolitotrofos:quimiolitotrofos:

4H4H22 + CO + CO22 à CH à CH44 + 2H + 2H22OO

QUIMIOSÍNTESIS

LAS BACTERIAS QUIMIOSINTÉTICAS:• No necesitan nutrientes orgánicos porque

utilizan bióxido de carbono para producir sus nutrientes

• Obtienen la energía de la oxidación de compuestos inorgánicos como hidrógeno molecular, amoníaco, nitrito, tiosulfato, etc.

Los electrones resultantes entran en la cadena respiratoria con producción de ATP.

Catabolismo de los lípidos

Glicerina

Ácido graso

Ácido graso

Ácido graso

Lípido

Glicerina

3 Ácidos grasos

GlicerinaGlicerinaquinasa ADP NAD

Glicerinafosfato

deshidrogenasa

NADH2

+ ------- + + --------------

+

ATP Mg+2 Glicerina-3 fosfato

Glicerina-3 fosfato

Fosfato dedihidroacetona

Todos los compuestos de esta reacción entran a la vía glucolítica.Todos los compuestos de esta reacción entran a la vía glucolítica.

Oxidación de los ácidos grasos

CATABOLISMO DE PROTEÍNAS

Las proteínas son demasiado grandes para atravesar las membranas

Los microorganismos excretan proteasas que hidrolizan las proteínas exógenas a péptidos.

Proteasas Peptidasas

Proteínas----- Péptidos------- Aminoácidos

• Los esqueletos carbonados de los aminoácidos entran en el ciclo ATC para sufrir una mayor oxidación vía acetil CoA, ácido cetoglutárico, ácido succínico, ácido fumárico o ácido oxaloacético

RUTAS DE OTROS

COMPUESTOS EN LA

RESPIRACIÓN AERÓBICA

Otros aminoácidos de

más de 3C

Acetil CoA2C

Ácido pirúvico3C

Aminoácidos3C

Aminoácidos 2C

Alcohol2C

ÁcidosGrasos

Ácido Láctico3C

Glicerol3C

Azúcares complejos

Almidón

Gliceraldehído 3 P3C

Glucosa6C

Ciclo de los ácidos tricarboxílicos

BIOSÍNTESIS(Anabolismo)

Intermediarios de bajo peso

molecular

Unidades estructurales

Macromoléculas(Alto peso molecular)

Asociaciones supra -

moleculares

Organelas

Acetato,Malonato

Ácidos grasos,Glicerina

Lípidos

Fosfopiruvato, Malato

Azúcares sencillos

Poli - sacáridos

Cetoácidos

Aminoácidos

Proteínas

Ribosa carbamil fosfato

Mono -nucleóticos

Ácidos Nucléicos

Complejos enzimáticos, Ribosomas,

Sistemas contráctiles

Núcleo, mitocondria, cloroplasto, etc.

RELACIÓN ENTRE LAS TRANSFORMACIONES

CATABÓLICAS Y ANABÓLICAS

RELACIÓN ENTRE LAS TRANSFORMACIONES

CATABÓLICAS Y ANABÓLICAS

Lípidos Polisacáridos Proteínas

Aminoácidos HexosasPentosas

Acidos grasosGlicerina

Gliceraldehido 3-fosfato

Fosfoenolpirúvato

Á.Pirúvico

CO2

Succinil CoA

Acido Fumárico

Acido Málico

Acido Cítrico

Acido - cetoglutárico

Acido Isocítrico

Acido Succínico

A. Oxaloacético

Acetil CoA

FASE III

FASE II

FASE I

Ciclo de los ácidos tricarboxílicos