Metabolismo microbiano

Transcripción

1 Metabolismo microbiano

2 DEFINICIÓN Conjunto de reacciones químicas mediante las cuales las células obtienen energía y poder reductor a partir de su entorno y también comprende las reacciones en que se sintetizan los componentes fundamentales de sus macromoléculas.

3 En las células la energía se almacena en una molécula, el ATP (adenosin trifosfato). Otras moléculas como el NADH, NADPH y el FADH2 son los principales transportadores de electrones que se obtienen de la oxidación de sustancias combustibles. Se les llama PODER REDUCTOR.

4 FORMAS METABÓLICAS Catabolismo: metabolismo degradativo, degradación o descomposición de compuestos. Anabolismo: metabolismo constructivo, formación o síntesis de compuestos químicos (biosíntesis).

5 Diferencias: Catabolismo odegradante ooxidante ogenerador de energía oexergónico onecesidad de ADP oproducción de ATP oproductos finales definidos Anabolismo osíntesis oreductor oconsumidor de energía oendergónico onecesidad de ATP oproducción de ADP y AMP ovariedad de productos finales

6 El término vía se utiliza para indicar una serie de reacciones consecutivas que efectúan una conversión global específica. A B C D E F G El efecto neto A G Las sustancias que se producen en la vía se denominan intermediarios metabólicos.

7 Funciones del metabolismo ABASTECIMIENTO ENERGÍA Y MATERIA ATP, NADH, PRECURSORES BIOSINTÉTICOS BIOSÍNTESIS POLIMERIZACIÓN BLOQUES DE CONSTRUCCIÓN a.a., nucleótidos, monoazúcares, ácidos grasos, etc MACROMOLÉCULAS Proteínas, ácidos nucléicos, polisacáridos, lípidos, etc. ENSAMBLE ESTRUCTURAS SUBCELULARES Ribosomas, nucleosomas, pared celular, membranas, etc.

8 Nutrición Fuente de carbono: Carbohidratos y CO 2 Fuente de Nitrógeno: Aminoácidos y nitratos Fuente de azufre. Sulfatos y aminoácidos azufrados Vitaminas Oligoelementos Cofactores

9 Clasificación metabólica AUTOTROFÍA CO2 LITO C.inorgánicos HETEROTROFÍA C.orgánicos MIXOTROFÍA FOTO luz AUTOTROFÍA ORGANO C.orgánicos HETEROTROFÍA MIXOTROFÍA

10 Clasificación metabólica AUTOTROFÍA LITO HETEROTROFÍA MIXOTROFÍA QUIMIO C. químicos ORGANO HETEROTROFÍA

11 La célula microbiana obtiene su energía a partir de: La degradación de compuestos y liberando energía. Almacenando la energía lumínica del sol mediante la fotosíntesis 11

12 Compuestos ricos en energía COMPUESTO g kcal/mol PEP -14,14 1,3 difosfoglicerato -11,8 Fosfocreatina -10,3 Acetil fosfato -10,1 Pirofosfato -8,0 Acetil CoA -7,5 ATP -7,3 ADP -7,3 Glucosa 1 fosfato -5,0 Fructuosa 6 fosfato -3,8 AMP -3,4 Glucosa 6 fosfato -3,3 12

13 METABOLISMO GENERADOR DE ATP GENERACIÓN HETEROTROFICA (Comp. Orgánicos) DE ATP Fermentación Respiración GENERACIÓN AUTOTROFICA ( CO 2 )DE ATP Fotosíntesis Quimiolitotrofía Nitrificación.

14 Fermentación Proceso metabólico generador de ATP en el que compuestos orgánicos sirven tanto de donadores de electrones (oxidándose) como de aceptores de electrones (reduciéndose). La fosforilación a nivel de sustrato es el único modo posible de síntesis de ATP.

15

16

17 CH 2 OH CH 2 O-P ATP Mg 2+ Hexocinasa ADP Glucosa Glucosa 6 PO 4 Fosfohexo isomerasa CH 2 O-P Fructuosa 6 P CH 2 OH ATP Mg 2+ Fosfofructo cinasa ADP CH 2 O-P aldolasa CH 2 O-P Fructuosa 1, 6 P COOH 2 HCOH CH 2 O-P 3 fosfoglicerato Fosfoglicerato mutasa 2ATP Mg 2+ Fosfoglicerato cinasa ADP COO-P 2HCOH CH 2 O-P 1,3 Difosfato glicerato 2NADH NAD + Pi Gliceraldehído 3P deshidrogenasa CHO 2HCOH CH 2 O-P Gliceraldehído 3 fosfato Triosa P isomerasa CH 2 OH C=O CH 2 O-P Dihidroxicetona fosfato COOH 2 HCO-P CH 2 OH Ácido 3 fosfoglicerico Enolasa H 2 O COOH 2 C-O-P CH 2 Fosfoenol piruvico ADP K + Mg 2+ Piruvato cinasa 2ATP COOH 2 C=O CH 3 Piruvato GLICOLISIS

18 Reacción global de la glucólisis Glucosa + 2NAD + + 2ADP + 2Pi 2Piruvato + 2NADH + 2ATP + 2H + + 2H 2 O

19 VÍAS PARA LA DEGRADACIÓN BACTERIANA DE LA GLUCOSA VÍA EMBDEN-MEYERHOF-PARNAS VÍA ENTNER-DOUDOROF VÍA HEXOSA MONOFOSFATO GLUCOSA GLUCOSA GLUCOSA GLUCOSA 6 FOSFATO GLUCOSA 6 FOSFATO GLUCOSA 6 FOSFATO FRUCTUOSA 6 FOSFATO GLUCONA-LACTONA 6 PO 4 GLUCONA-LACTONA 6 PO 4 FRUCTUOSA 1, 6 FOSFATO FOSFOGLUCONATO 6 FOSFOGLUCONATO 1,3 DIFOSFOGLICERATO 2 CETO-3-DESOXI 6 FOSFOGLUCONATO RIBULOSA 5 FOSFATO ÁCIDO PURÚVICO ÁCIDO PURÚVICO GLICERALDEHÍDO 3 PO 4 ÁCIDO PURÚVICO ÁCIDO LACTICO ÁCIDOS MIXTOS CICLO DE KREBS CICLO DE KREBS 19 ÁCIDOS MIXTOS

20 FERMENTACIÓN ALCOHOLICA 2 ATP 2 NADH 2CO 2 Glucosa Glicólisis 2 COO- C=O CH 3 Ácido pirúvico Pirúvico descarboxilasa CH 3 -CHO Acetaldehído 2 NADH 2NAD + Mg 2+ Acetaldehido deshidrogenasa 2 CH 3 CH 2 OH +2 CO ATP +2 H 2 O Alcohol etílico

21

22 FERMENTACIÓN HOMOLÁCTICA Glucosa CH 2 OH 2 ATP 2 NADH Glicólisis COOH 2 C=O CH 3 Ácido pirúvico NADH NAD + Lactato deshidrogenasa COOH 2 CH-OH CH 3 Ácido láctico

23 FERMENTACIÓN ÁCIDO MIXTA 1 1/2 CH 2 OH 2 ATP 2 NADH Glicólisis 3 COOH C=O NADH NAD + COOH CH-OH Glucosa Ácido pirúvico CH 3 Lactato deshidrogenasa CoA-SH CH 3 Ácido láctico 2 HCOOH Ac. Fórmico CoA-SH ADP ATP 2H 2 Formato deshidrogenasa 2 NAD + NADH 2CO 2 CoA-SH CH 3 CO-S-CoA Acetaldehído deshidrogenasa CH 3 CHO Acetaldehído NADH NAD + Fósforo reductasa Pi CH 3 CO-P Acetil fosfato NADH NAD + Etanol deshidrogenasa Mg 2+ Acetato deshidrogenasa CH 3 COOH Ácido acético CH 3 CH 2 OH Etanol

24 Fermentación ácido mixta

25 Fermentación propiónica

26 Fermentación butírica

27 Fermentación butanodiólica

28 EJEMPLOS DE ALGUNOS TIPOS DE FERMENTACIÓN Y MICROORGANISMOS QUE LA PRODUCEN TIPO DE FERMENTACIÓN PRODUCTOS PRINCIPALES EJEMPLOS ALCOHÓLICA ETANOL Y CO 2 LEVADURAS HOMOLÁCTICA ÁCIDO LÁCTICO Lactobacillus y Streptococcus HETEROLÁCTICA ÁCIDO MIXTA BUTÍRICA PROPIÓNICA ACÉTICA ÁCIDO LÁCTICO, ETANOL Y CO BUTANODIOL, BUTANOL, ÁCIDO SUCCÍNICO, LÁCTICO, ACÉTICO, FÓRMICO, H 2 Y CO 2 BUTIRATO, ACETATO, H 2 Y CO 2 PROPIONATO, ACETATO Y CO 2 ACETATO Lactobacillus y Leuconostoc Enterobacterias: Shigella, Salmonella, Klebsiella, E. coli Clostridium butyricum Propionibacterium Clostroidium propionicum Acetobacterium Clostridium aceticum

29 Respiración aerobia 29

30

31

32 Ciclo de Krebs

33 Ciclo de Krebs En los organismos aerobios las rutas metabólicas responsables de la degradación de los glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos convergen en el ciclo de Krebs, que a su vez aporta poder reductor a la cadena respiratoria y libera CO2. Catabolismo oxidativo de glúcidos, ác. grasos y a.a 1ª etapa: glucólisis, vía catabólica de ác. grasos. 2ª etapa: Ciclo de Krebs (a.a intermediarios) 3ª etapa: Poder reductor a través de CTE y generación de ATP medianta la F.Ox.

34

35 El C.K. ocurre en las mitocondrias de las células eucariotas y en el citoplasma de las células procariotas. La acetil-coa generada por los diferentes catabolismos se condensa con el oxalacetato y genera citrato. Isomerización del citrato en isocitrato. Formación de α-cetoglutarato por la acción de la isocitrato deshidrogenasa liberando CO2 y reducción de NAD+.

36 El α- cetoglutarato se tranforma en succinil-coa hay una descarboxilación y se reduce el NAD+, que es la coenzima de la α-cetoglutarato deshidrogenasa. La succinil-coa genera un enlace fosfoanhidro entre un fosfato y un GDP para dar 1GTP por fosforilación a nivel de sustrato. La histidina foforilada transfiere el grupo fosfato al nucleótido. Se libera HSCo-A. Se forma succinato. El succinato es oxidado a fumarato por la succinato deshidrogenasa, enzima que tiene como cofactor al FAD+ (la energia asociada a la reacción no es suficiente para reducir al NAD+)

37 La fumarasa cataliza la hidratación del fumarato formando malonato. El malato se oxida a oxalacetato, se reduce el NAD+.

38 CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES En los procariotas la cadena de transporte electrónico de la respiración se encuentra en la membrana plasmática. La obtención de ATP a partir de la oxidación de NADH y FADH2 se realiza mediante la fosforilación oxidativa. El primer paso es la entrada de los electrones en la cadena respiratoria. Entonces los electrones son transferidos a una serie de transportadores asociados a membrana. Estos transportadores son de naturaleza proteica y tiene grupos prostéticos capaces de aceptar/donar electrones.

39 En la cadena respiratoria intervienen tres tipos de moléculas capaces de transportar electrones: Ubiquinona (CoQ) Citocromos (proteínas que tienen como grupos prostéticos grupos hemo con hierro) Proteínas con agrupaciones sulfo-férricas.

40 El complejo I (NADH): ubiquinona oxidorreductasa transporta los electrones del NADH a la ubiquinona. El complejo II (succinato deshidrogenasa) pasa los electrones del FADH2 a la ubiquinona. El complejo III (citocromo bc1):citocromo c oxidorreductasa acopla la transferencia de electrones desde la ubiquinona al citocromo c. El complejo IV (citocromo oxidasa)conduce los electrones desde el citocromo c hasta el último aceptor de los electrones: el oxígeno que se reduce a agua.

41

42 Fosforilación oxidativa La fosforilación oxidativa es un proceso metabólico que utiliza energía liberada por la oxidación de nutrientes para producir ATP. La síntesis de ATP está catalizada por la ATP sintetasa. ATP sintetasa (complejo V) es la enzima final del proceso de la fosforilación oxidativa.

43 La teoría más aceptada es la de Mitchell, que propone que los transportadores de electrones además de transportar electrones bombean protones al espacio intermembrana en donde se crea un gradiente electroquímico de protones. El potencial electroquímico de este gradiente es aprovechado por la ATP sintasa para sintetizar ATP.

44

45

46 FAD+ 2H+ + 2e- FADH

47 Cuando el último aceptor de electrones es el oxígeno estamos hablando de respiración aerobia. Cuando compuestos como los sulfatos, nitratos y carbonatos, actúan como aceptor final de electrones; estamos hablando de respiración anaerobia.

48 RESPIRACIÓN ANAEROBIA Proceso anaeróbico productor de energía en el que el aceptor de la cadena transportadora de electrones es una molécula inorgánica oxidada. Aceptor e- Productos reducidos Ejemplos m.o. NO3 - NO2 - Enterobacterias NO3 - NO2 -, N2O,N2 Pseudomonas y Bacillus SO4 2- H2S Desulfovibrio y Desulfotomaculum CO 2 CH4 Metanógenos S 0 H2S Desulfuromonas y Thermoproteus Fe 3+ Fe 2+ Pseudomonas y Bacillus

49 GENERACIÓN AUTOTRÓFICA DE ATP

50 Fotosíntesis es la conversión de energía lumínica en energía química. Esta energía química se utiliza para convertir el CO2 en compuestos carbónicos reducidos(azúcares)

51 Proceso anabólico por el cual ciertas células capturan la energía lumínica del sol y la convierten en energía química. Ocurre en los cloroplastos de las células eucariotas y en sistemas membranosos dentro del citoplasma de las células procariotas.

52 El ATP es producido mediante una transferencia de energía luminosa absorbida por el sistema de pigmentos fotosintéticos (fotofosforilación). Se utiliza el agua como donador de e- para la formación de oxígeno como producto fotosintético (fotosíntesis oxigénica). Ej.: plantas, algas, cianobacterias Ciertos procariotes utilizan compuestos inorgánicos (compuestos de azufre) (fotosíntesis anoxigénica). Ej.: sulfobacterias púrpuras, sulfobacterias verdes, bacterias verdes

53 A) plantas, algas, cianobacterias B) bacterias púrpuras, verdes del azufre, bacterias rojas

54 Fotosíntesis: 1) Reacciones dependientes de la luz (fotofosforilación) 2) Reacciones independientes de la luz (Ciclo de Calvin-Benson)

55 Todos los organismos fotosintéticos tienen pigmentos para la absorción de la luz: Clorofilas (eucariotas y cianobacterias) Bacterioclorofilas (bacterias verdes y púrpuras)

56 La energía química obtenida durante la fase luminosa es utilizada para reducir CO2, nitratos y sulfatos y sintetizar componentes celulares (glúcidos, aminoácidos, ácidos grasos, etc) en las reacciones oscuras (fase oscura).

57

58

59 Ciclo de Calvin

60

61 Quimiolitotrofía Es un tipo de metabolismo en la cual la energía se obtiene de la oxidación de compuestos inorgánicos. La quimiolitotrofía tiene dos funciones importantes: la generación de la energía (ATP) la generación de potenciales reductores (NADH)

62 Oxidación del hidrógeno Oxidación del azufre Oxidación del hierro ferroso (Fe 2+ ) Nitrificación (amoniaco NH 3 a nitrato NO 3- ) Oxidación del ión amonio NH + 4

63

64

65 Nitrificación Es la oxidación biológica de amonio con oxígeno en nitrito, seguido por la oxidación de esos nitritos en nitratos. La primera etapa la hacen bacterias (entre otras) del género microbiológico Nitrosomonas y Nitrosococcus. La segunda etapa la hacen, mayormente, bacterias del género Nitrobacter. En ambas etapas se produce energía que se destina a la síntesis de ATP. Estos microorganismos nitrificantes son quimioautótrofos, y usan dióxido de carbono como su fuente de carbono para crecer.

66 1. NH 3 + O 2 NO 2 + 3H + + 2e 2. NO 2 + H 2 O NO 3 + 2H + + 2e

67

68 REQUERIMIENTOS NUTRICIONALES Y CLASIFICACIÓN FISIOLÓGICA FUENTE DE : LUZ ENERGÍA QUÍMICA CO CARBONO 2 ORGÁNICO DONADOR INICIAL DE INORGÁNICO ELECTRONES ORGÁNICO ORGÁNICO INORGÁNICO ACEPTOR FINAL DE O 2 ELECTRONES CO 2 PROCESO FISIOLÓGICO FOTOTROFÍA QUIMIOTROFÍA AUTOTROFÍA HETEROTROFÍA LITOTROFÍA ORGANOTROFÍA FERMENTACIÓN RESPIRACIÓN ANAEROBIA RESPIRACIÓN AEROBIA AUTOTROFÍA, FOTOSÍNTESIS, METANOGÉNESIS