POR: ING. JUAN MORENO OSCANOA

FUNDAMENTOS BIOLOGICOS

CELULA

CELULA PROCARIOTICA

CELULA EUCARIOTICA

ARBOL FILOGENETICO

LOCALIZACION DE LAS MACROMOLECULAS EN LA CELULA

Pared Citoplasma Membrana Flagelo

Las protenas (marrn) se encuentran por toda la clula formando parte de las estructuras celulares y de las enzima Ribosomas

Nucleoide

cidos nucleicos. DNA (verde) se encuentra en el nucleiode de las clulas procariticas y en el ncleo de las eucariticas. El RNA (naranja) se encuentra en el citoplasma y en los ribosomas

PROTEINAS

ACIDOS NUCLEICOS

LOCALIZACION DE LAS MACROMOLECULAS EN LA CELULA

Grnulos de reserva

Los polisacridos (verde) se localizan en la pared celular y, en ocasiones, en grnulos de reserva internos.

Los lpidos (azul) se localizan en la membrana citoplasmtica, la pared celular y en grnulos de reserva

POLISACARIDOS

LIPIDOS

Grnulos de reserva

Composicin qumica de una clula procariotica

Composicin qumica para la E. Coli

MACROMOLECULAS DE UNA CELULA BACTERIANA

Protenas

Polmetros cuyos monmeros son los aminocidos.

Tienen funciones estructurales y catalticas (enzimticos)

cidos nucleicos

Polmetros de nucletidos: DNA y RNA (ms abundantes despus de las protenas)

Ribosomas.- se componen de protenas y RNA y son las mquinas que producen nuevas protenas

DNA.- componente clave para las funciones celulares como deposito de informacin gentica necesaria para hacer una nueva clula.

MACROMOLECULAS DE UNA CELULA BACTERIANA

Lpidos

Son compuestos hidrofobicos (repelen el agua) tienen funciones criticas en la estructura de las membranas y como deposito de almacenamiento de carbono

Constituidos principalmente por cidos grasos.

Polisacridos

Polmetros compuestos por azucares presentes fundamentalmente en la pared celular. Otros como el glicgeno que pueden ser formas de almacenamiento y energa (hexosas)

Otro azcar importante es la pentosa (glucosa) que forman parte de las estructura de los cidos nucleicos

Macro nutrientes en la naturaleza y en los medios de

cultivo

Elemento Forma natural del

nutriente en el ambiente

Forma suministrada en el medio de cultivo

Carbono

(C)

CO2, compuestos

orgnicos

Glucosa, malato, acetato, piruvato, aminocidos,

cientos de otros compuestos o mezclas complejas

(extracto de levadura, peptosa, etc).

Hidrogeno

(H)

H2O, compuestos

orgnicos

H2O, compuestos orgnicos

Oxigeno

(O)

H2O, O2, compuestos

orgnicos

H2O, O2, compuestos orgnicos.

Nitrgeno

(N)

NH3, NO3-,N2,

compuestos Orgnicos

nitrogenados

Inorgnicos: NH4Cl, (NH4)2SO4, KNO3, N2.

Orgnicos: aminocidos, bases nitrogenadas de

nucletidos, otros compuestos.

Fosforo (P) PO4- KH2PO4, Na2HPO4

Macro nutrientes en la naturaleza y en los medios de

cultivo

Elemento Forma natural del nutriente

en el ambiente

Forma suministrada en el medio de cultivo

Azufre (S) H2S, SO4-2, compuestos

orgnicos, sulfuros metlicos

(FeS, CuS, ZnS, NiS, etc)

Na2SO4, Na2S2O3, Na2S, cistena u otros compuestos

orgnicos azufrados

Potasio (K) K+ en solucin o como varias

sales con K

KCl, KH2PO4.

Magnesio

(Mg)

Mg+2 en solucin o como

varias sales Mg

MgCl2, MgSO4

Sodio (Na) Na+ en solucin, NaCl, otras

sales con Na.

NaCl

Calcio Ca+2 en solucin, CaSO4,

otras sales Ca

CaCl2

Hierro Fe+2 o Fe+3 en solucin, FeS,

Fe(OH)3, otras sales con Fe

FeCl3, FeSO4, soluciones de hierro quelado (Fe+3 +

EDTA, Fe+3+citrato, etc).

Micronutrientes necesarios para organismos vivos

Elemento Funcin celular

Cromo (Cr) Requeridos por los mamferos para el metabolismo de la glucosa se desconoce si los

microorganismos lo requieren.

Cobalto (Co) Vitamina B12, transcarboxilasa (bacterias del acido propionico)

Cobre (Cu) En la respiracin, citocromo C oxidasa, en fotosintesis, plastocianina y en algunas superoxido

dismutasas.

Manganeso (Mn) Activador de muchas enzimas, presente en algunos superoxido dismutasas y en la enzima que

rompe el agua en fototrofos oxigenicos.

Molibdeno (Mb) Algunas enzimas que contienen flavinas; nitrogenasa, nitrato reductasa, sulfito oxidasa, etc.

Niquel (Ni) La mayora de las hidrogenasas; coenzima F430 de metanogenos, deshidrogenasa del monxido de

carbono y ureasa.

Selenio (Se) Formato deshidrogenasa; algunas deshidrogenasas y el aminocido selenocisteina.

Tungsteno Algunas formatos deshidrogenasas .

Vanadio (V) Vanadio nitrogenasa

Zinc (Zn) Anhidrasa carbonica, alcohol, deshidrogenasa, RNA y DNA polimerasas

Hierro (Fe+3) Citocromos, catalasas, peroxidasas, proteinas con hierro y azufre.

Nutricin

Las clulas microbianas tienen capacidad para llevar reaccione

qumicas para su crecimiento.

La serie de reacciones que ocurren antes de que la clula se

divida se denomina metabolismo y pueden ser de dos tipos:

Reacciones catablicas: liberan energa.

Reacciones anablicas: consumen energa.

En esencia, la nutricin bacteriana consiste en suministrar a

las clulas los ingredientes qumicos necesarios para hacer

monmeros: NUTRIENTES.

Energa reacciones Bioqumicas

A+BC+D Si tenemos la siguiente reaccin:

Si el Go es negativo, la reaccin ocurre espontneamente con

liberacin de energa, la cual la clula la almacena en forma de

ATP : reaccin exotrmica

Si el Go es positivo, la reaccin requiere energa : reaccin

endotrmica

Todo microorganismos debe ser capaz de obtener energa de

los compuestos qumicos o de la luz y, adems, conservar la

energa como ATP.

G : Se calcula restando la energa libre de formacin de los reactantes de la de

los productos.

Energa libre de formacin de algunos

compuestos de inters biolgico

Compuesto Energa libre de formacin

(kj/mol)

Agua (H2O) -237.2

Dixido de carbono (CO2) -394.4

Hidrogeno gaseoso (H2) 0

Oxigeno gaseoso (O2) 0

Amoniaco (NH4+) -79.4

Oxido nitroso +104.2

Acetato (C2H3O2-) -369.4

Glucosa (C6H12O6) -917.3

Metano (CH4) -50.8

Metanol (CH3OH) -175.4

Nutricin

Obtener material para su autoconstruccin.

Obtener compuestos qumicos de alto valor energtico

potencial para la realizacin de sus actividades motoras y

otras reacciones que consumen energa.

ENZIMAS

Son protenas que catalizan las reacciones biolgicas.

Son especificas para un tipo de reaccin qumica.

En una reaccin catalizada enzimticamente la enzima se

combina temporalmente con el reaccionante (sustrato S de la

enzima), para formar un complejo enzima sustrato. Luego

cuando ocurre la reaccin, el producto se libera y la enzima

vuelve a su estado original.

Por lo general la enzima es mucho mas grande que el sustrato

y la combinacin enzima sustrato suele depender de enlaces

dbiles como puentes hidrgenos, fuerzas de Van der Waals.

FUENTES DE

ENERGIA

Y CARBONO

Nutricin

Obtencin de molculas de gran contenido energtico

Sntesis orgnica (construccin de molculas de alto contenido energtico

por el organismo mismo)

Fuente de carbono: CO2

Fuente de energa: luz ambiente

Fuente de carbono: CO2

Fuente de energa: reacciones qumicas

Toma de molculas orgnicas

preformadas

Depende de la preexistencia del anterior

Tipos de organismos de acuerdo al tipo

de nutricin

Fuente de carbono: CO2

Fuente de energa: luz solar Fotoautrotofos

Fuente de carbono: CO2

Fuente de energa: Rx. qumicas Quimioautotrofos

Fuente de carbono: mat. orgnica

Fuente de energa: luz solar Fotoheterotrofos

Fuente de carbono: mat. Orgnica

Fuente de energia: rx. Quimicas Quimioheterotrofos

Oxidacin-reduccin

Reacciones de intercambio de energa son de oxidacin-

reduccin (redox).

Oxidacin: prdida de electrones.

Reduccin: ganancia de electrones.

En una reaccin redox se producen intercambio de

electrones entre los elementos que se oxidan y los que se

reducen.

Agente oxidante: gana electrones por ello se reduce.

Agente reductor: dona electrones y se oxida en el proceso.

Donadores y aceptores de electrones

En las reacciones oxidacin-reduccin, los electrones cedidos por un

donador son aceptados por un aceptor

(oxidacin del hidrogeno)

(reduccin del oxgeno)

(reaccin total)

Sustancia oxidada: H2, donador de electrones

Sustancia reducida: O2, aceptor de electrones

Potenciales de reduccin

1. Las sustancias varan en cuanto a su tendencia a oxidarse o

reducirse, la cual se expresa como el potencial de reduccin

(Eo) 2. Este potencial se mide elctricamente en voltios con relacin al

potencial de hidrogeno.

3. Se expresa para reacciones parciales de reduccin: forma

oxidada+ e- = forma reducida.

Aplicacin de la torre de electrones

Respiracin y fermentacin

Es un fenmeno de oxidacin bioqumica de los compuestos

de estructura molecular compleja, y es realizado con la

finalidad de liberar su elevado contenido de energa potencial.

Existen dos tipos de respiracin: aerobia y anaerobia.

Existe un tercer fenmeno de oxidacin mediante el cual se

obtiene energa, se llama fermentacin y es el proceso en el

cual el donador de electrones es un compuesto interior de la

celula.

Respiracin aerobia

Aceptor de hidrogeno: oxigeno libre

C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+673 kcal. Enzimas

Respiracin anaerobia

Aceptor de hidrogeno: no es el oxigeno libre, sino un

compuesto orgnico o una sal natural (nitratos, sulfatos)

C6H12O6 6CH4+ 3 CO2 + E

Respiracin aerobia

Donador de electrones: compuesto orgnico.

El donador de electrones tambin puede ser inorgnico,

entre los principales tenemos a los compuestos que existen

en la naturaleza o existen en los desechos producidos por el

hombre: H2S, NH3, NO2-,Fe+2,H2.

As tenemos los siguientes procesos catablicos:

Oxidacin del hidrogeno.

Oxidacin de compuestos reducidos del azufre.

Oxidacin del hierro.

Nitrificacin

Quimiolitotrofia

Oxidacin del Hidrogeno

KjGOHOH o 2372

1222

Tipo de bacteria: Ralstonia Eutropha

Reaccin altamente exergnica y catalizada por la enzima hidrogenasa

Quimiolitotrofia Oxidacin del azufre

reaccionKjGHSOOOHOS

reaccionKjGHSOOOHS

reaccionKjGOHSHOHS

reaccionKjGHSOOSH

o

oo

oo

o

/3.818222

/1.58722

3

/4.2092

1

/2.79822

2

422

2

32

2

422

22

2

422

Compuestos ms comunes que se usan como fuente de energa son el

sulfuro de hidrogeno (H2S), el azufre elemental (So) y el tiosulfato (S2O3

-2).

La oxidacin del azufre trae como consecuencia la reduccin del pH del

medio y la formacin de cido sulfrico. Es el responsable por la

contaminacin acida de los drenajes de mina al oxidar la pirita (Fe2S2)

Tipo de bacterias: Beggiatoa, Thiothrix

Quimiolitotrofia Oxidacin del hierro

reaccionKjGOHFeOHFe o /9.322

1

4

12

3

2

2

A pH neutro el hierro ferroso se oxida rpidamente a hierro frrico de manera

espontanea. Sin embargo a pH acido es estable y puede ser aprovechado por

las bacterias oxidantes del hierro. Se produce la precipitacin del hidroxido de

hierro Fe(OH)3

Las bacterias del hierro oxidadoras del hierro son acidfilas estrictas

Tipo de bacterias: Thiobacillus ferrooxidants, Heptospirillum ferrooxidants

En medios no cidos el Fe+2 es oxidado por bacterias como Gallionella y

Leptothrix. Esto ocurre en las interfases anoxicas de aguas subterraneas ricas

en hierro y el aire

Quimiolitotrofia Nitrificacin

reaccionKjGNOONO

reaccionKjGOHHNOONH

o

o

/1.742

1

/7.27422

3

322

2224

Las bacterias nitrificantes que intervienen en este proceso son:

Nitrosomonas, quienes oxidan amoniaco a nitrito

Nitrobacter, que oxidan nitritos a nitratos

Las bacterias del hierro oxidadoras del hierro son acidfilas estrictas

Tipo de bacterias: Thiobacillus ferrooxidants, Heptospirillum ferrooxidants

El sistema de vida anaerbico

Los principales aceptores de electrones, distintos al oxigeno,

que intervienen en la nutricin anaerbica son:

Fe+3, NO3-, NO2

-, S, SO4-2 y CO2.

Entre los principales procesos tenemos:

Reduccin del nitrato y nitrificacin.

Reduccin del sulfato.

Acetognesis.

Metanognesis.

Reduccin del nitrato Compuesto Estado de

oxidacin

N. Orgnico -3

Amoniaco(NH3) -3

Gas nitrgeno 0

xido

nitroso(N2O)

+1

Oxido de nitrgeno

(NO)

+2

Nitrito (NO2-) +3

Dixido de

nitrgeno (NO2)

+4

Nitrato (NO3-) +5

Bacterias denitrificante: Escherichia coli, Paracoccus denitrificans,

Pseudomonas stuzzeri

Reduccin del sulfato

Compuestos de azufre Donadores de electrones

Compuesto Estado de

oxidacin

S Orgnico (R-SH) -2

Sulfuro (H2S) -2

Azufre elemental 0

Tiosulfato (S2O3-2) +2

Dixido de azufre

(SO2)

-4

Sulfito (SO3-2) +4

Sulfato (SO4-2) +6

H2.

Lactato.

Piruvato.

Etanol y otros alcoholes.

Fumarato.

Malato.

Acetato.

Propionato.

Butirato.

cidos grasos.

Bacterias reductoras del azufre.

Genero Desulfobrivio. Utilizan lactato, piruvato y etanol o

ciertos cidos grasos como donador de electrones, en la

respiracin del sulfato.

Genero Desulfobacter. Oxidan cidos orgnicos

principalmente acetato, en la respiracin del sulfato.

Genero Desulforomonas. Reducen el S elemental a sulfuros

utilizando como sustrato el acetato o etanol. Son incapaces de

reducir los sulfatos.

Acetogenesis

Respiracin del CO2 y la produccin de acetato.

Hay dos grupos de procariotas anaerobios estrictos que usan

el CO2 como aceptor de electrones en el metabolismo

energtico: los homoacetogenos y los metanogenos.

El H2, es un donador importante de electrones para ambos

microorganismos.

Adems del H2, existen otros donadores de electrones:

azucares, cidos orgnicos y aminoacidos, alcoholes, etc.

OHCOOCHHHHCO

HCOOCHOHC

2323

36126

442

33

Acetogenesis

Metanogenesis Produccin biolgica de metano llevado a cabo por un grupo de

arqueas anaerbicas estrictas que reciben el nombre de

metanogenos.

La produccin de CH4 es llevado a cabo por microorganismos que

utilizan el CO2 como aceptor de electrones y H2 y compuestos

orgnicos como donadores de electrones.

El CH4 es producido tambin utilizando como aceptor de

electrones al acetato.

2/3 del CH4 generado proviene del acetato y solo 1/3 del CO2

.31

.13124

3423

2422

KJGHCOCHOHCOOCH

KJGOHCHHCO

O

O

CICLOS BIOGEOQUIMICOS EN

LA NATURALEZA

Ciclo del carbono

Ciclo del carbono

Ciclo del nitrogeno

Ciclo del nitrogeno

Oxidacin del azufre

Oxidacin del azufre

Caractersticas del crecimiento

Cuando hay alimento disponible, las bacterias usan el alimento principalmente para su crecimiento y algo para energa.

Una bacteria en crecimiento tiene flagelos (pelitos a los extremos y alrededor de la clula) para moverse y as buscar alimento.

Una bacteria se reproduce en dos bacterias. La clula se divide en dos pequeas clulas y luego el proceso sigue as sucesivamente.

Cuando hay muy poco alimento disponible, la bacteria usa este alimento limitado para producir energa y mantener la clula, muy poco para crecimiento y menos para reproduccin. Se reproduce menos

Con poco alimento y en un intento de conservar energa la bacteria pierde el flagelo por tanto su movilidad.

Los producto de desecho empieza a formar una capa mucosa gruesa alrededor de la pared celularc haciendo que las clulas se aglutinen o peguen.

Las caractersticas de crecimiento de las bacterias se entienden mejor estudiando la curva de crecimiento

Crecimiento

celular y fisin

binaria

Crecimiento Bacteriano

Caractersticas del crecimiento La fase de latencia: Durante esta fase la bacteria se acomoda a las nuevas condiciones. Empiezan a

digerir los alimentos, desarrollar enzimas y otros elementos que se requieren para el crecimiento.

Fase de crecimiento acelerado: La bacteria crece lo mas rpido que puede puesto que hay un exceso

de alimento. Las clulas estn dispersas y no pegadas.

Fase de declinacin: La reproduccin se hace mas lenta por que no hay exceso de alimento, se ha

digerido mucho alimento y ahora hay muchas mas bacterias compitiendo por alimento remanente por lo

tanto la bacteria no tiene suficiente alimento para mantener la tasa de crecimiento al mximo.

Fase estacionaria: El nmero de bacterias es la mas alta pero no se ha dejado mucho alimento por lo

que no puede incrementar el nmero de bacterias. Algunas se reproducen pero otras empiezan a morir de

manera que el nmero se mantiene relativamente constante. Las bacterias han perdido sus flagelos y tienen

una sustancia pegajosa que cubre la superficie externa de la clula haciendo que se peguen y tiendan a

aglomerarse en flculos. Este crece de manera que si no hay aire y mezcla, el flculo sedimenta al fondo.

Fase de mortalidad: La tasa de mortalidad aumenta con casi ningn crecimiento celular. El nmero

total de bacterias se reduce. Las bacterias a las justas trata de mantenerse viva

Composicin qumica de una clula

procaritica

Molcula Porcentaje de peso seco

Macromolculas totales

Protenas

Polisacrido

Lpido

Lipopolisacrido

DNA

RNA

96

55

5.0

9.1

3.4

3.1

20.5

Monmeros totales Aminocidos y precursores

Azcares y precursores

Nucletidos y precursores

3.0

0.5

2.0

0.5

Iones inorgnicos 1.0

Total 100

Reacciones bioqumicas

Oxidacin

Sntesis

Respiracin endgena o auto oxidacin

Oxidacin y sntesis en el crecimiento biolgico

Oxidacin

CHONS +O2+bacteriasCO2+H2O+ENERGIA+COMP. ESTABLES

Sntesis

CHONS +O2+energia+bacteriasC5H7NO2 (tejido celular)

Respiracin endgena o auto oxidacin

C5H7NO2 + 5O2+bacterias5CO2+2H2O+NH3+energia

Ciclo aerobio

en la naturaleza

Ciclo del Nitrgeno

Reacciones bioqumicas del Nitrgeno

2NH3+3O2+NITROSOMONAS 2HNO2+2H2O

2HNO2+3O2+NITROBACTERIA 2HNO3

NH3+H2ONH4OH NH4++OH-

Protenas (N orgnico) + bacterias NH3

N2(g) + 8H+6e-2NH4+

CICLO DEL AZUFRE