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METABOLISMO MICROBIANO María Cecilia Arango Jaramillo Es el estudio de las reacciones químicas que se llevan a cabo en las células.

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2 METABOLISMO MICROBIANO María Cecilia Arango Jaramillo Es el estudio de las reacciones químicas que se llevan a cabo en las células

3 Energía para el movimiento, transporte de nutrientes,etc Catabolismo Productos de desecho Componentes celulares Nutrientes Anabolismo Energía para el desarrollo Fuente de energía

4 FASES DEL METABOLISMO FASES DEL METABOLISMO : ANABOLISMO : Formación o síntesis de compuestos químicos (Biosíntesis) CATABOLISMO : Degradación o descomposición de compuestos

5 TRANSPORTADORES DE ENERGÍA

6 Compuestos ricos en energía :Compuestos ricos en energía : Adenosina trifosfato ( ATP ) Adenosina trifosfato ( ATP ) Guanosina trifosfato ( GTP ) Guanosina trifosfato ( GTP ) Acetil fosfato Acetil fosfato Ácido 1,3-difosfoglicérido Ácido 1,3-difosfoglicérido Ácido fosfoenolpirúvico ( PEP ) Ácido fosfoenolpirúvico ( PEP ) COMPUESTOS RICOS EN ENERGÍA :

7 ATPtransportador de energía intermediario El ATP actúa como transportador de energía o como intermediario entre aquellas reacciones que proporcionan energía y las que la consumen.

8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA POR LOS MICROORGANISMOS

9 La célula microbiana utiliza la energía para: El movimiento. La producción de calor. La electricidad. Biolumniscencia.

10 La célula microbiana utiliza la energía química para : Sintetizar grandes moléculas a partir de otras más pequeñas. Transportar sustancias hacia la célula microbiana y organizarlas en su interior. Sacar las sustancias de desecho de la célula microbiana o para realizar la secreción El trabajo mecánico de las célula microbianas.

11 Transporte de Nutrientes. Difusión simple o pasiva Difusión facilitada Traslocación en grupo Transporte activoTransporte activo Transporte de Nutrientes. Difusión simple o pasiva Difusión facilitada Traslocación en grupo Transporte activoTransporte activo

12 OBTENCIÓN DE LA ENERGÍA CELULAR La célula microbiana obtiene su energía de dos maneras : Degradando compuestos y liberando su energía Almacenando la energía lumínica del sol mediante el proceso de fotosíntesis.

13 Los procesos por los cuales los microorganismos obtienen su energía son: FOTOSÍNTESIS QUIMIOSÍNTESIS RESPIRACIÓN –Aeróbica –Anaeróbica –Fermentación

14 FOTOSÍNTESIS

15 Naturaleza de la luz

16 FOTOSÍNTESIS La fotosíntesis es el proceso que convierte la energía lumínica en energía química (CH 2 O ) x + O 2 + H 2 O Carbohidrato CO H 2 O En presencia de luz y clorofila

17 Estructura del cloroplasto y de las membranas fotosintéticas. Los organismos fotosintéticos procariotes y eucariotes poseen sacos aplanados o vesículas llamadas tilacoides, que contienen los pigmentos fotosintéticos Pero solamente los cloroplastos de los eucariotes están rodeados por una doble membrana.

18 Excitación de la molécula de clorofila

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20 FASES DE LA FOTOSÍNTESIS

21 Clorofila Fase lumínica 12 H 2 O AD P NADP 18 ATP+ 12 NADPH O 2

22 Productos de la fase lumínica y reacciones de la fase oscura 6CO ATP + 12 NADPH 2 Enzima C 6 H 12 O 6P+ 18 ADP + 17 P inorgánico + 12 NADP Hexosa

23 Fructosa 6-fosfato GLUCOSA H2OH2O Ribulosa 1,5 difosfato Ribulosa 1 fosfato 3 - fosfo gliceraldehído Acido 1,3 - difosfoglicérico Acido 3-difosfoglicérico H2OH2O ATP NADPH 2 Pi CO 2 Compuesto inestable ADP +NADP Ciclo de Calvin o del C3

24 Fotosíntesis: reacciones de luz y oscuridad

25 NO FOTOSINTÉTICOS Obtienen energía para sintetizar compuestos orgánicos del desdoblamiento de otros compuestos orgánicos preexistentes. No hay ganancia en la cantidad total de compuestos orgánicos. Transforman biomasa. Por medio del ciclo del carbono, todas las célula microbianas, autótrofas o no, pueden utilizar el bióxido de carbono. La conversión de CO 2 en compuestos orgánicos requiere energía. FOTOSINTÉTICOS Forman compuestos orgánicos durante la fotosíntesis Utilizan energía procedente de la luz Aumentan la cantidad total de compuestos orgánicos. Sintetizan biomasa.

26 RESPIRACIÓN: DESASIMILACIÓN DE COMPUESTOS ORGÁNICOS Y LIBERACIÓN DE ENERGÍA

27 RESPIRACIÓN: Proceso por el cual la célula microbiana libera la energía almacenada en los alimentos. Este proceso ocurre en las mitocondrias en la mayoría de las células eucariotes o en la membrana celular de las células procariotes hondrialrespiration-Spanish.htm

28 Tipos de respiración Respiración aerobia. Respiración anaerobia (Fermentación).

29 RESPIRACIÓN AEROBIA C 6 H 12 O O 2 Enzimas Energía (38 ATP) 6CO 2 +6 H 2 O+ Energía (38 ATP) G = -686 Kcal G = -686 Kcal

30 Rata de producción de energía por combustión y por respiración celular

31 La glucólisis, ruta metabólica común a todos los organismos

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33 A partir la glicólisis pueden darse la respiración aerobia o la anaerobia.

34 Ciclo de Krebs o Ciclo del ácido tricarboxílico (ATC)

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36 El conjunto de reacciones del ciclo ATC se puede resumir en la siguiente forma: Acetil-CoA + 3H 2 O + 3NAD + + FAD + + ADP + Pi 2CO 2 + CoA + 3NADH 2 + FADH 2 + ATP Una molécula de glucosa da lugar a dos de acetil- CoA, que pueden entrar en este ciclo El total será el doble del indicado en esta reacción

37 Fosforilación oxidativa: formación directa de ATP a partir de ADP y Pi

38 La ATPasa utiliza el potencial eléctrico que se crea por la diferencia entre la concentración de protones (H+) entre el lado externo y el lado interno de la membrana interna de la mitocondria: una verdadera pila voltáica biológica

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40 En la respiración los electrones son transferidos de manera secuencial a través de una serie de proteínas transportadoras adosadas a la membrana celular. cadena de transporte de electrones.Esta es la cadena de transporte de electrones. Los electrones son eliminados de los transportadores de energía por medio de la reducción de algún aceptor terminal de electrones como: el oxígeno (en la respiración aeróbica) nitrógeno, sulfato o dióxido de carbono (en la respiración anaeróbica).

41 NADH 2 NAD + Sustancia reducida Sustancia oxidada ATP FADH 2 FAD FMN FMNH 2 CoQ CoQH 2 H+H+ Flavoproteína ADP + P Coenzima Q Citocromo b - Citocromo c 1 - Citocromo c - Citocromo a - /a 3 Fe +2 Fe +3 Fe +2 Fe +3 Fe +2 Fe +3 O2O2 H2OH2O Figura 45. Cadena de transporte electrónico La cadena se acopla al ciclo de Krebs para convertir la energía liberada en él, en ATP--> fosforilación oxidativa. Capta electrones a partir de compuestos reducidos y los transfire al aceptor final, el oxígeno, con la consiguiente formación de agua. CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO : Secuencia de reacciones de oxidación-reducción para la generación de ATP.

42 Rendimiento total en ATP por molécula de glucosa

43 El rendimiento total en ATP por respiración aeróbica a partir de una molécula de glucosa La oxidación completa de la glucosa, vía glucólisis, ciclo ATC y cadena respiratoria, se resume en la reacción siguiente: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + 38 ATP (= 686 Kcal)

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45 RESPIRACIONES ANAEROBIAS El oxígeno gaseoso no interviene. El aceptor de electrones es un compuesto distinto al oxígeno. Cuando el aceptor es un compuesto como orgánico se denomina fermentación Cuando es inorgánico respiración anaerobia

46 La respiración sin oxígeno, está restringida en gran parte a los saprófogos (bacterias, levaduras, mohos, protozoos).

47 Fermentación

48 GLUCOSA G lucólisis 2C 3 H 4 O 3 (ácido pirúvico) + 4H 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 +2 ATP Alcohol etílico Dióxido de carbono Energía En ausencia de oxígeno, para actuar como aceptor final, el ácido pirúvico sirve a sí mismo como aceptor.

49 + 2 NADH + 2 H + COOH Ácido pirúvico CH 3 O C2 H Ácido láctico 2 C CH3CH3 + 2NAD + CH 3 COOH Cuando el aceptor de electrones es un ácido orgánico se le llama fermentación, cuando el aceptor es una sustancia inorgánica como NO 2, NO 3, SO 4, CO 3 y fumarato

50 GLUCOSA Ácido pirúvico Ácido acético + Ácido fórmico Ácido succínico Ácido acético Acetona Acetil CoA Ácido fórmico Alcohol etílico CO 2 Ácido acético H2H2 Diferentes rutas de fermentación

51 Respiración anaerobia

52 En algunas bacterias, al final de la cadena de transporte electrónico, puede existir un aceptor diferente del oxígeno (respiración anaerobia). Los aceptores y sus respectivos productos reducidos (A AH 2 ) son: NO 3 -- N 2 SO 4 2- SH 2 fumarato succinato CO 2 CH 4 Fe 3+ Fe 2+ Con estos aceptores se obtiene menos energía que con el oxígeno, porque la pareja O 2 /H 2 O es más oxidante que las otras.

53 nitratos, sulfatos y CO 2El uso de nitratos, sulfatos y CO 2 como aceptores finales de electrones y no como material a incorporar al metabolismo plástico se denomina metabolismo desasimilativo. El producto reducido se excreta al ambiente de la bacteria.

54 Tipos de quimiolitotrofos La capacidad de obtener energía por fosforilación oxidativa a partir de donadores inorgánicos de electrones sólo se presenta en ciertos grupos de procariotas.

55 Cada grupo fisiológico de quimiolitotrofos usa un tipo de donador inorgánico: bacterias de hidrógeno (H 2 ) bacterias del hierro (Fe 2+ ) bacterias del azufre (S 2-, S 0 ). bacterias nitrificantes, con dos subtipos diferentes: las oxidadoras de amoniaco (llamadas nitrosas) y las oxidadoras del nitrito (llamadas nítricas).

56 desnitrificación,El uso desasimilativo de nitrato se llama desnitrificación, y ocurre por medio de una serie de fases donde el N va cambiando su estado de oxidación: NO 3 -- NO 2 - (nitrito) NO (óxido nítrico) N 2 O (óx. nitroso) N 2 (dinitrógeno)

57 Sólo las bacterias sulfatorredutoras usan el sulfato como aceptor de electrones Por una ruta especial en la que el sulfato primero tiene que activarse con ATP formando la adenosina-fosfo- sulfato ( APS). quimiorganotrofas, quimiolitotrofasLa mayoría son quimiorganotrofas, pero algunas quimiolitotrofas pueden usar H 2 donador de electrones.

58 arqueobacterias metanogénicas hidrógeno molecular CO 2Las arqueobacterias metanogénicas son los únicos seres vivos capaces de obtener energía acoplando la oxidación del hidrógeno molecular con el uso de CO 2 como aceptor de electrones quimiolitotrofos: Actúan en estas condiciones como quimiolitotrofos: 4H 2 + CO 2 à CH 4 + 2H 2 O

59 QUIMIOSÍNTESIS

60 LAS BACTERIAS QUIMIOSINTÉTICAS: No necesitan nutrientes orgánicos porque utilizan bióxido de carbono para producir sus nutrientes Obtienen la energía de la oxidación de compuestos inorgánicos como hidrógeno molecular, amoníaco, nitrito, tiosulfato, etc. Los electrones resultantes entran en la cadena respiratoria con producción de ATP.

61 Catabolismo de los lípidos Glicerina Ácido graso Lípido Glicerina 3 Ácidos grasos

62 Todos los compuestos de esta reacción entran a la vía glucolítica.

63 Oxidación de los ácidos grasos

64 CATABOLISMO DE PROTEÍNAS Las proteínas son demasiado grandes para atravesar las membranas Los microorganismos excretan proteasas que hidrolizan las proteínas exógenas a péptidos. Proteasas Peptidasas Proteínas----- Péptidos Aminoácidos Los esqueletos carbonados de los aminoácidos entran en el ciclo ATC para sufrir una mayor oxidación vía acetil CoA, ácido cetoglutárico, ácido succínico, ácido fumárico o ácido oxaloacético

65 RUTAS DE OTROS COMPUESTOS EN LA RESPIRACIÓN AERÓBICA Otros aminoácidos de más de 3C Acetil CoA 2C Ácido pirúvico 3C Aminoácidos 3C Aminoácidos 2C Alcohol 2C Ácidos Grasos Ácido Láctico 3C Glicerol 3C Azúcares complejos Almidón Gliceraldehído 3 P 3C Glucosa 6C Ciclo de los ácidos tricarboxílicos

66 BIOSÍNTESIS (Anabolismo)

67 Intermediarios de bajo peso molecular Unidades estructurales Macromoléculas (Alto peso molecular) Asociaciones supra - moleculares Organelas Acetato, Malonato Ácidos grasos, Glicerina Lípidos Fosfopiruvato, Malato Azúcares sencillos Poli - sacáridos Cetoácidos Aminoácidos Proteínas Ribosa carbamil fosfato Mono - nucleóticos Ácidos Nucléicos Complejos enzimáticos, Ribosomas, Sistemas contráctiles Núcleo, mitocondria, cloroplasto, etc.

68 RELACIÓN ENTRE LAS TRANSFORMACIONES CATABÓLICAS Y ANABÓLICAS

69 LípidosPolisacáridos Proteínas Aminoácidos Hexosas Pentosas Acidos grasos Glicerina Gliceraldehido 3-fosfato Fosfoenolpirúvato Á.Pirúvico CO 2 Succinil CoA Acido Fumárico Acido Málico Acido Cítrico Acido - cetoglutárico Acido Isocítrico Acido Succínico A. Oxaloacético Acetil CoA FASE III FASE II FASE I Ciclo de los ácidos tricarboxílicos


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