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