Son todos los procesos químicos que tienen lugar dentro de una célula

Transcripción

1 METABOLISMO Son todos los procesos químicos que tienen lugar dentro de una célula Microbiología General 2014 Lic en Bioquímica- UNSL Brock, Biología de los microorganismos. 12ª. Edición, Prentice-Hall. Tortora G.J., Funke B.R., Case C.L. Introducción a la Microbiología. 9a ed. Editorial Médica Panamericana S.A. Metabolismo celular

2 Porque estudiar metabolismo?? Para el desarrollo de medios de cultivo para microorganismos Para obtención de procedimientos útiles que impidan el crecimiento de microorganismos indeseables Para identificación de microorganismos mediante pruebas metabólicas En microbiología médica (enfermedades infecciosas) En microbiología industrial: producción de compuestos útiles Para entender la bioquímica del crecimiento microbiano

3 CATABOLISMO Conjunto de reacciones bioquímicas que conducen a la producción de ENERGIA, PODER REDUCTORy PRECURSORES para la biosíntesis. ANABOLISMO Suma total de todas las reacciones biosintéticas de la célula. Catabolismo y anabolismo: papel de la obtención de energía en vincular estos procesos

4 La energía se requiere para: Biosíntesis (anabolismo) Transporte activo Translocación de proteínas a través de la membrana citoplásmica Movimiento flagelar Bioluminiscencia Conservación de energía intracelular Principalmente por síntesis de ATP Cómo se obtiene el ATP? Fosforilación a nivel de sustrato Fosforilación oxidativa Fotofosforilación

5 Diferencias entre fosforilación a nivel de sustrato y fosforilación oxidativa La generación de ATP es consecuencia de la transferencia de un P de alta energía desde un compuesto fosforilado hacia el ADP La generación de ATP esta asociada a la fuerza motriz de protones y se transfieren electrones desde compuestos orgánicos hacia NAD+ o FAD+ y luego a través de transportadores de electrones hasta el O 2 u otras moléculas orgánicas o inorgánicas CATABOLISMO Rutas para la obtención de energía,poder reductor y precursores metabólicos: - Fermentación - Respiración - Fotosíntesis

6 FERMENTACIÓN Son vías catabólicas en las que un compuesto orgánico actúa sucesivamente como donador y aceptor de electrones. Es un proceso ANAEROBIO. La energía se obtiene únicamente por FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO

7 Esquema de la Fermentación Glucólisis ATP ATP P P glucosa glucosa 6 fosfato fructosa 6 fosfato P fructosa 1,6 difosfato ADP Hexoquinasa Isomerasa Fosfofrutoquinasa ADP REACCIONES ENDERGÓNICAS DE GLUCÓLISIS P DiHidroxiAcetona P invierte 2 ATP

8 Glucólisis P PGAL NAD + P i Aldolasa NADH P NAD + P i PGAL REACCIONES EXERGÓNICAS Gliceraldehido 3P NADH P P 1,3 difosfoglicerato ADP P 3 fosfoglicerato ATP Gliceraldehido 3P deshidrogenasa fosfogliceroquinasa P P 1,3 difosfoglicerato ADP P 3 fosfoglicerato ATP fosforilización a nivel de sustrato produce 2 ATP Glicólisis P P 2 fosfoglicerato 2 fosfoglicerato H 2 O H 2 O P Enolasa P ADP PEP ATP ADP PEP ATP fosforilización a nivel de sustrato produce 2 ATP Piruvato quinasa piruvato piruvato

9 Fermentaciones: - regeneración de NAD + y - productos de fermentación PRINCIPALES VÍAS DE FERMENTACIÓN Fermentación propiónica Propionibacterium Hidrogenolasa fórmica Fermentación ácido mixta Escherichia coli Fermentación alcohólica Levaduras Fermentación láctica Lactobacilos Fermentación acetoínica Enterobacter Fermentación butírica Clostridium

10 Fermentación Láctica Productos principales Láctico Alcohólica Etanol, CO 2 Ácida mixta Etanol, succínico, H 2 CO 2, acético, fórmico, láctico, Butilénglicólica Butilenglicol, CO 2 Acetono-butírica Acético, acetona, butírico, butanol, CO 2, H 2 glucólisis 2 ATP inversión 2 ADP C 6 H 12 O 6 2 NAD + 4 ATP cosecha 2 piruvato 2 NADH 2 ATP net forma etanol 2 H 2 O 2 CO 2 2 acetaldehídos Fermentación Alcohólica 2 etanol electrones, hidrógeno forma NADH

11 Bacterias propiónicas Bacterias lácticas Bacterias lácticas

12 En la fermentación se libera una pequeña cantidad de energía porque: 1) Los átomos de carbono del compuesto inicial son oxidados sólo parcialmente 2) La diferencia entre los potenciales de reducción (E 0 ) del donador primario de e- y del aceptor final de e-, es pequeña. Si el donador primario pudiera oxidarse totalmente a CO2, usando un aceptor final de e-, el rendimiento energético sería mayor. Esto ocurre en la RESPIRACION. RESPIRACIÓN Proceso de oxidación de sustratos usando un aceptor final de electrones exógeno Aeróbica Proceso por el cual se oxida un compuesto usando O 2 como aceptor final de electrones Anaeróbica Cuando el aceptor final de electrones es diferente del O 2 (NO 3 -, SO 4 =, CO 3 = fumarato, etc.)

13 Fosforilación oxidativa. Respiraciones Respiración: obtención de energía por oxidación de sustratos reducidos (DH 2 ), en la que los coenzimas reducidos (ej.: NADH) transfieren los ee a un aceptor final a través de una c.t.e. gradiente H + ATP La obtención de energía ligada a las respiraciones se llama fosforilación oxidativa Respiraciones según el tipo de donador y de aceptor de electrones Según el tipo de donante de ee: 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 O 2 : respiración aerobia Si es distinto del O 2 : respiración anaerobia

14 Ciclo de Krebs Rica en energía Ciclo de Krebs o del ácido cítrico: el acido pirúvico se reduce totalmente a CO 2 mediante reacciones de hidratación, decarboxilación y oxidación Respiración aerobia: Cadena de transporte de electrones NADH deshidrogenasas: aceptan H Flavoproteínas (con FMN o FAD): aceptan H, ceden ee. FeS-proteínas no hémicas: solo transportan ee. Quinonas (ubiquinona, menaquinona): aceptan H, ceden ee. Citocromos: aceptan y ceden ee.

15 Funcionamiento de la c.t.e. de Paracoccus Tomado de Tórtora, 2007

16 La ATPasa Porción transmembrana F 0 {a, b 2, c 12 } : La subunidad a canaliza los H + Las dos b salen hacia el citoplasma, interaccionando con la porción F 1 Las 12 subunidades c forman un cilindro que puede rotar en ambos sentidos Porción citoplásmica F 1 {α 3, β 2, γ, δ, ε}: Fuerza protón motriz y ATP sintetasa Unos 3-4 protones pasan a través de a de F 0, y pone en marcha la síntesis rotacional del ATP: La entrada de los H + rotación del cilindro de c 12 torsión se comunica a F 1 a través de γ,ε cambio conformacional en subunidades b se une ADP+P ATP El papel de b 2 δ es de estator (inmovilizador), impidendo que αβ giren con εɤ

17 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 fuerza protón motriz hace posible los siguientes trabajos en bacterias: * movimiento flagelar * transporte de iones a través de la membrana

18 RESPIRACION: integración entre vía glicolítica, ciclo de Krebs y transporte de electrones

19 Principales vías que convergen en el ciclo de Krebs El ciclo de Krebs constituye la segunda etapa del catabolismo de carbohidratos. La glucólisis rompe la glucosa (6 carbonos) generando dos moléculas de piruvato (3 carbonos). El ciclo de Krebs siempre es seguido por la fosforilación oxidativa. Este proceso extrae la energía en forma de electrones de alto potencial de las moléculas de NADH y FADH2, regenerando NAD+ and FAD, gracias a lo cual el ciclo de Krebs puede continuar.

20 Los electrones son transferidos a moléculas de O2, rindiendo H2O. Pero esta transferencia se realiza a través de una cadena transportadora de electrones capaz de aprovechar la energía potencial de los electrones para bombear protones. De este modo el ciclo de Krebs no utiliza directamente O2, pero lo requiere al estar acoplado a la fosforilación oxidativa. Por cada molécula de glucosa la energía obtenida mediante el metabolismo oxidativo, es decir, glucolisis seguida del ciclo de Krebs, equivale a unas 36 moléculas de ATP.

21 Respiración Anaeróbica - Los aceptores finales de electrones son diferentes del oxígeno: - NO Fe SO 4 = - CO 3 = - Fumarato - Se libera menos energía cuando se usan estos aceptores de electrones - La fuerza electromotriz de protones también se realiza FOTOSÍNTESIS Es la conversión de la energía lumínica en energía química Los microorganismos que realizan fotosíntesis se llaman FOTOTROFOS

22 Producción de energía y poder reductor Bacterias fotótrofas Plantas verdes Algas Cianobacterias PIGMENTOS FOTOSENSIBLES Su presencia es necesaria para que se realice la fotosíntesis Clorofila, Bacterioclorofila Carotenoides Ficobilinas

23 Clorofila a Fotótrofos oxigénicos Bacterioclorofila a Fotótrofos anoxigénicos PIGMENTOS FOTOSENSIBLES CIANOBACTERIAS BACTERIAS ROJAS Y VERDES CIANOBACTERIAS Ficobiliproteínas Aumentan la eficacia fotosintética y función protectora (luz perjudicial y sustancias toxicas del O2

24 Centros antena (claros) y Centros reactivos (oscuros) En la membrana fotosintética, las moléculas de clorofila o bacterioclorofila se asocian con proteínas en complejos de moléculas. Un número reducido de estas moléculas participa en la conversión de luz en ATP: son los pigmentos de los centros de reacción. Cianobacterias Bacterias púrpuras Nostoc tilacoides Invaginación de la MP: Lamelas

25 Bacterias fotosintéticas Cromatóforos Membranas fotosinteticas vesiculares Clorosoma: sistemas antena gigantes Bacterias verdes

26 Ficobilinas y ficobilisomas Son cadenas tetrapirrólicas abiertas acopladas a proteínas. Si es de color rojo, se llaman ficoeritrinas; si son de color azul, son ficocianinas. El color depende de la longitud de onda a la cual absorben luz. Se suelen presentar como agregados llamados ficobilisomas, unidos a las membranas fotosintéticas. Reductor fuerte Fotosíntesis Oxigénica acíclica Cianobacterias Ph: feofitina (sin Mg2+) PC: plastocianina (Cu+)

27 Esquema Z tumbada

28 Bacterias rojas Bacterias verdes Poder reductor Fotosíntesis anoxigénica cíclica ANABOLISMO Reacciones de BIOSINTESIS - Fijación de CO 2 - Ciclo de Calvin - Derivaciones del TCA - Glucólisis invertida - Síntesis de peptidoglicano

29 Fijación del CO 2 - Autotrofia Ciclo de Calvin Es el proceso mediante el cual el CO2 se asimila como fuente de carbono. Puede utilizar tres vías, pero la más común es la del Ciclo de Calvin. Son necesarios: NAD(P)H, ATP y dos enzimas específicas: Ribulosa difosfatocarboxilasa (RubisCO) y una fosfoquinasa RubisCO está presente en bacterias púrpuras, cianobacterias, algas, plantas verdes, quimiolitótrofos del dominio Bacteria, y en arqueas como las halófilas e hipertermófilas Ciclo de Calvin o del C3 CO 2 Ribulosa 1,5 difosfato Fosforibulo quinasa Ribulosa 1 fosfato H 2 O RubisCO H 2 O Compuesto inestable Acido 3-difosfoglicérico 3-fosfo gliceraldehído Fructosa 6-fosfato ATP NADPH 2 ADP +NADP Acido 1,3-difosfoglicérico Pi GLUCOSA GLUCOSA

30 Fijación de CO 2 (2): Bacterias fotótrofas verdes Inversa del ciclo de Krebs CICLO DE KREBS Y BIOSINTESIS: -alfa-cetoglutarato y oxalacetato, precursores de aminoácidos -succinilcoenzima A, contribuye a formar el anillo porfirínico (que contiene Fe) de los citocromos, la clorofila y otros compuestos tetrapirrólicos -oxalacetato, puede convertirse en fosfoenolpiruvato, un precursor de glucosa. -acetilcoa, es material necesario para la biosíntesis de ácidos grasos

31 Síntesis de la pared A B C D E F G H I

32 Muchas gracias!!