Metabolismo microbiano

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.

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.

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

Diferencias: Catabolismo

Anabolismo

oDegradante oOxidante oGenerador de energía oExergónico oNecesidad de ADP oProducción de ATP oProductos finales definidos

oSíntesis oReductor oConsumidor de energía oEndergónico oNecesidad de ATP oProducción de ADP y AMP oVariedad de productos finales

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.

Funciones del metabolismo ABASTECIMIENTO

BIOSÍNTESIS

POLIMERIZACIÓN

ENSAMBLE

ENERGÍA Y MATERIA

ATP, NADH, PRECURSORES BIOSINTÉTICOS

BLOQUES DE CONSTRUCCIÓN

a.a., nucleótidos, monoazúcares, ácidos grasos, etc

MACROMOLÉCULAS

Proteínas, ácidos nucléicos, polisacáridos, lípidos, etc.

ESTRUCTURAS SUBCELULARES

Ribosomas, nucleosomas, pared celular, membranas, etc.

Nutrición • Fuente de carbono: Carbohidratos y CO2 • Fuente de Nitrógeno: Aminoácidos y nitratos • Fuente de azufre. Sulfatos y aminoácidos azufrados • Vitaminas • Oligoelementos • Cofactores

Clasificación metabólica AUTOTROFÍA LITO C.inorgánicos

HETEROTROFÍA

CO2

C.orgánicos

MIXOTROFÍA

FOTO AUTOTROFÍA

luz

ORGANO C.orgánicos

HETEROTROFÍA

MIXOTROFÍA

Clasificación metabólica AUTOTROFÍA LITO HETEROTROFÍA QUIMIO C. químicos

ORGANO

HETEROTROFÍA

MIXOTROFÍA

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

Compuestos ricos en energía COMPUESTO PEP 1,3 difosfoglicerato Fosfocreatina Acetil fosfato

∆g°kcal/mol

Pirofosfato Acetil CoA ATP

-8,0 -7,5 -7,3

ADP Glucosa 1 fosfato Fructuosa 6 fosfato AMP Glucosa 6 fosfato

-7,3 -5,0 -3,8 -3,4 -3,3

-14,14 -11,8 -10,3 -10,1

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METABOLISMO GENERADOR DE ATP • GENERACIÓN HETEROTROFICA (Comp. Orgánicos) DE ATP • Fermentación • Respiración • GENERACIÓN AUTOTROFICA ( CO2)DE ATP • Fotosíntesis • Quimiolitotrofía • Nitrificación.

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.

CH2OH

ATP

CH2O-P

Mg2+

ADP

Hexocinasa

COOH

Fosfohexo isomerasa

2 HCOH CH2O-P

2ATP

COO-P

2NADH

CH2O-P

NAD+

CHO

Pi

Gliceraldehído 3P deshidrogenasa

COOH 2 HCO-P CH2OH Ácido 3 fosfoglicerico

Enolasa

ADP

2ATP

2 C-O-P

K+ Mg2+

CH2

Piruvato cinasa

Fosfoenol piruvico

Triosa P isomerasa

CH2O-P Gliceraldehído 3 fosfato

Fosfoglicerato mutasa

COOH

Fructuosa 1, 6 P

2HCOH

1,3 Difosfato glicerato

H2O

ADP

aldolasa

2HCOH

Fosfoglicerato cinasa

3 fosfoglicerato

Mg2+

Fosfofructo cinasa

Fructuosa 6 P

ADP Mg2+

CH2O-P

CH2OH

ATP

Glucosa 6 PO4

Glucosa

CH2O-P

CH2O-P

CH2OH C=O CH2O-P

Dihidroxicetona fosfato

COOH 2 C=O CH3 Piruvato

GLICOLISIS

Reacción global de la glucólisis

Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi  2Piruvato + 2NADH + 2ATP + 2H+ + 2H2O

VÍAS PARA LA DEGRADACIÓN BACTERIANA DE LA GLUCOSA VÍA EMBDEN-MEYERHOF-PARNAS

VÍA ENTNER-DOUDOROF

GLUCOSA

GLUCOSA

GLUCOSA 6 FOSFATO

GLUCOSA 6 FOSFATO

FRUCTUOSA 6 FOSFATO

GLUCONA-LACTONA 6 PO4

FRUCTUOSA 1, 6 FOSFATO

FOSFOGLUCONATO

VÍA HEXOSA MONOFOSFATO

GLUCOSA

GLUCOSA 6 FOSFATO

GLUCONA-LACTONA 6 PO4

6 FOSFOGLUCONATO

RIBULOSA 5 FOSFATO 1,3 DIFOSFOGLICERATO

2 CETO-3-DESOXI 6 FOSFOGLUCONATO GLICERALDEHÍDO 3 PO4 ÁCIDO PURÚVICO

ÁCIDO PURÚVICO ÁCIDO PURÚVICO ÁCIDO LACTICO

ÁCIDOS MIXTOS

CICLO DE KREBS CICLO DE KREBS

ÁCIDOS MIXTOS 19

FERMENTACIÓN ALCOHOLICA 2 ATP 2 NADH

2CO2 2 NADH

COO-

Glicólisis

Glucosa

Mg2+

2 C=O CH3

2NAD+

Pirúvico descarboxilasa

Ácido pirúvico

CH3-CHO

Acetaldehído

Acetaldehido deshidrogenasa

2 CH3CH2OH +2 CO2 + 2 ATP +2 H2O Alcohol etílico

FERMENTACIÓN HOMOLÁCTICA

CH2OH

2 ATP 2 NADH

NADH

NAD+

COOH Glicólisis

2 C=O CH3

Glucosa

COOH

Ácido pirúvico

Lactato deshidrogenasa

2 CH-OH CH3 Ácido láctico

FERMENTACIÓN ÁCIDO MIXTA CH2OH

NADH

2 ATP 2 NADH

COOH

Glicólisis

1 1/2

COOH

3 C=O

CH-OH

CH3

Lactato deshidrogenasa

Ácido pirúvico

Glucosa

CH3 Ácido láctico

CoA-SH 2 HCOOH Ac. Fórmico

2

ADP

CoA-SH

Formato deshidrogenasa

CH3CO-P

CH3 CO-S-CoA

Fósforo reductasa

NAD+ Acetaldehído deshidrogenasa

NADH

Acetil fosfato

ATP Mg2+

Acetato deshidrogenasa

CH3COOH Ácido acético

Pi NADH

CoA-SH 2H2

NAD+

2CO2

NAD+

NADH

NAD+

CH3CH2OH

CH3CHO Acetaldehído

Etanol deshidrogenasa

Etanol

Fermentación ácido mixta

Fermentación propiónica

Fermentación butírica

Fermentación butanodiólica

EJEMPLOS DE ALGUNOS TIPOS DE FERMENTACIÓN Y MICROORGANISMOS QUE LA PRODUCEN TIPO DE FERMENTACIÓN PRODUCTOS PRINCIPALES EJEMPLOS LEVADURAS ALCOHÓLICA ETANOL Y CO2 Lactobacillus y HOMOLÁCTICA ÁCIDO LÁCTICO Streptococcus ÁCIDO LÁCTICO, ETANOL Y HETEROLÁCTICA Lactobacillus y Leuconostoc CO2 2-3 BUTANODIOL, BUTANOL, ÁCIDO Enterobacterias: Shigella, SUCCÍNICO, LÁCTICO, ÁCIDO MIXTA Salmonella, Klebsiella, E. ACÉTICO, FÓRMICO, H2 Y coli CO2 BUTIRATO, ACETATO, H2 Y BUTÍRICA Clostridium butyricum CO2 PROPIONATO, ACETATO Y Propionibacterium PROPIÓNICA CO2 Clostroidium propionicum Acetobacterium ACÉTICA ACETATO Clostridium aceticum

Respiración aerobia

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Ciclo de Krebs

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.

• 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+.

• 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+)

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

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.

• 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.

• 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.

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.

• 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.

FAD+ 2H+ + 2e-

FADH2

+0.031

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.

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

SO42-

H2S

Desulfovibrio y Desulfotomaculum

CO2

CH4

Metanógenos

S0

H2S

Desulfuromonas y Thermoproteus

Fe3+

Fe2+

Pseudomonas y Bacillus

GENERACIÓN AUTOTRÓFICA DE ATP

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

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.

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

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

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

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

• 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).

Ciclo de Calvin

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)

• • • • •

Oxidación del hidrógeno Oxidación del azufre Oxidación del hierro ferroso (Fe 2+) Nitrificación (amoniaco NH3 a nitrato NO3-) Oxidación del ión amonio NH4+

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.

1. NH3 + O2 → NO2− + 3H+ + 2e− 2. NO2− + H2O → NO3− + 2H+ + 2e−

REQUERIMIENTOS NUTRICIONALES Y CLASIFICACIÓN FISIOLÓGICA FUENTE DE : LUZ ENERGÍA QUÍMICA CO2 CARBONO ORGÁNICO DONADOR INICIAL DE INORGÁNICO ELECTRONES ORGÁNICO ORGÁNICO INORGÁNICO ACEPTOR FINAL DE O2 ELECTRONES CO2

PROCESO FISIOLÓGICO FOTOTROFÍA QUIMIOTROFÍA AUTOTROFÍA HETEROTROFÍA LITOTROFÍA ORGANOTROFÍA FERMENTACIÓN RESPIRACIÓN ANAEROBIA RESPIRACIÓN AEROBIA AUTOTROFÍA, FOTOSÍNTESIS, METANOGÉNESIS