Metabolismo microbiano MAS VERSATILES Ocupa todos los nichos ecológicos posibles Autotrofos: Sintetiza todo a partir de compuestos simples Heterótrofos: nutrientes más complejos Quimiolitotrofos: Oxidación de compuestos inorgánicos Quimioorganotrofos: Oxidación de compuestos orgánicos Fotosintetizadores: Luz y CO2 Productos de metabolismo: etanol, compuestos gaseosos Enzimas inducibles

Bacterias Quimiolitotrofas Obtienen energía de oxidación de compuestos inorgánicos Síntesis de ATP está acoplada a oxidación del donador de e- Fuentes de donadores inorgánicos de electrones: S: actividad volcánica (H2S) N y Fe: agricultura, minería Energía proveniente de oxidación: p.eg. para formación de ATP Se puede predecir qué tipo de QLT se puede encontrar

Rendimiento energético de oxidación de donadores de electrones inorgánicos DONADOR REACCION G0’ electrones (kJ/reacción) Fosfito 4HPO32- + SO42- + H+  4HPO42- + HS- -91 2 Hidrógeno H2 + ½O2  H2O -237.2 2 Sulfuro HS- + H+ + ½O2 S0 + H2O -209.4 2 Azufre S0 + 1½02 + H2O  SO42- + 2H+ -587.0 6 Ion amonio NH4+ + 1½O2  NO2- + 2H+ + H2O -274.7 6 Nitrito NO2- + ½ O2  NO3- -74.1 2 Fe ferroso Fe2+ + H+ + ¼O2  Fe3+ + ½ H2O -32.9 1 Producción de ATP: -31.8 kJ/mol

OXIDACION DE HIDROGENO H2 + ½O2  H2O Go’ = -237 kJ Enzima: Hidrogenasa Molécula aceptora: Quinona Proteínas transportadoras: citocromos Mayoría de bacterias de H: Quimioorganotrofas PERO si crecen como quimiolitotrofas: fijan CO2 x Calvin 6 H2+2 O2 + CO2  (CH2O) + 5 H2O

Exterior Interior Ralstonia eutrophia H2 H2asa NADH H+ ATPasa H2asas H2 H2asa Q cytb  cytc  cyt a e- H+ ½O2 H2O ATP ADP NADH NAD+ CO2 + ATP Ciclo de Calvin Material celular Ralstonia eutrophia

H2S + 202  SO42- + 2H+ Go’ = -798.2 Kj/rxn HS- + ½02 + H+  S0 + H20 Go’ = -209.4 Kj/rxn S0 + H20 + 1½02 + H+  SO42-+ 2H+ Go’ = -587.1 Kj/rxn S2O32- + H20 + 202  2SO42- + 2H+ Go’ = -818.3 Kj/rxn -409.1 kJ/átomo S oxidado OXIDACION DE COMPUESTOS REDUCIDOS DE AZUFRE Fuentes: H2S, S0, tiosulfato (S2O32-) Productos: Sulfato (SO42-) #electrones entre H2S y sulfato: 8

 e- VIA DE LA SULFITO OXIDASA S2- S0 R-S  S S2O32- Tiosulfato Sulfuro Sistema de transporte de electrones  e- Pi ADP Adenosina fosfosulfato (APS) AMP APS reductasa 2e- VIA DE LA SULFITO OXIDASA

Exterior Interior NAD+ FP  Q  cit b  cit c  cit aa3 S2O3= HS- ó H2O H+ ATP ADP Flujo inverso de electrones NAD+ NADH Ciclo de Calvin CO2 + ATP

Compuestos de azufre y donadores de electrones inorgánicos en reducción de sulfato COMPUESTO ESTADO DE OXIDACION Estados de oxidación de compuestos de azufre clave S orgánico (R-SH) -2 Sulfuro (H2S) -2 Azufre elemental (S0) 0 Tiosulfato (S2O32-) +2 (promedio por S) Dióxido de azufre (SO2) +4 Sulfito (SO32-) +4 Sulfato (SO42-) +6 Algunos donadores de e- usados para reducción de sulfato H2 Malato Ac.grasos cadena larga Lactato Colina Benzoato Piruvato Acetato Indol Etanol y otros alcoholes Propionato Hexadecano Fumarato Butirato

UTILIZACION DE COMPUESTOS DE NITROGENO Inorgánicos: Amoníaco NH3 Oxidación aeróbica x Bacterias nitrificantes quimiolitotrofas Nitrito NO2- Nitrosoficantes: Nitrosomonas: oxidan amoníaco a nitrito Nitrobacter: nitrito a nitrato (NH3 a NO2 x Acción secuencial transfiere 8e-) Bacterias nitrificantes tienen que donar e- a cadena de transporte

OXIDACION DE AMONÍACO Y FLUJO DE e- NH3 +O2+ 2H+ NH2OH +H2 O Oxidación de amoníaco + H20 HAO AMO cyt c cyt aa3  N  O- OXIDACION DE AMONÍACO Y FLUJO DE e- AMO: Amoníaco MonoOxigenasa HAO: HidroxilAmina Oxidoreduct. 4e- +5H+ Q 2e- ADP + Pi ATP H+ ½O2 +4H+ H2O Reducción de oxígeno

NH3 + O2 + 2H+ + 2e-  NH2OH + H2O AMO : Membrana HAO : Periplasma HAO: Requiere de 2e + 2H+ exógenos NH3 + O2 + 2H+ + 2e-  NH2OH + H2O

OXIDACION DE NITRITO A NITRATO NO2- +H2O NOR Oxidación de nitrito NO3 + 2H+ cyt c 2H2O 2HO- ½O2 +2H+ H2O 2H+ cyt aa3 Reducción de oxígeno ADP + Pi ATP H+ NOR: Nitrito Oxido Reductasa

Nitrato (NO3-)  Nitrito (NO2-) Oxido nítrico (NO) Oxido nitroso (N2O) Dinitrógeno (N2) Nitrato reductasa Nitrito reductasa Oxido nítrico reductasa Oxido nitroso reductasa

Transporte de electrones en E. coli cuando usa O2 o NO3- como aceptor Fp Fe-S Cytb556 Nitrato reduct Q Exterior Interior Cyt b562 Cyt o 2H+ 2e- H+ NADH + H+ 3H+ + ½O2 H2O Exterior Interior NO3- + 2H+ NO2- + H2O Transporte de electrones en E. coli cuando usa O2 o NO3- como aceptor Si [O2]: cyt b562cyt o O2 Si [O2]: cyt b562cyto dO2

Fermentaciones bacterianas más comunes Fermentación alcohólica Hexosa  2 Etanol + CO2 Levaduras, Zymomonas Fermentación homoláctica Hexosa  2 Lactato- + 2H+ Streptococcus, algunos Lactobacillus Fermentación heteroláctica Hexosa  Lactato- + Etanol + CO2 + H+ Leuconostoc, algunos Lactobacillus Acido propiónico Lactato-  Propionato- + Acetato- + CO2 Propionibacterium, Clostridium propionicum

Fermentaciones bacterianas más comunes cont. Acido mixta: Hexosa  Etanol + 2,3 butanodiol + succinato + lactato- + acetato- + formiato- + H2 + CO2 Bacterias entéricas: Escherichia, Salmonella, Shigella, Klebsiella, Enterobacter Acido butírico: Hexosa  Butirato- + Acetato- + H+ + CO2 Clostridium bytiricum Butanol: Hexosa  Butanol + Acetato- + Acetona + Etanol + CO2 + H+ Clostridium acetobutylicum

Compuestos ricos en energía que intervienen en la fosforilación a nivel de sustrato Compuesto Energía libre de hidrólisis G0’ (kJ/mol) Acetil CoA -35.7 Propionil CoA -35.6 Butiril CoA -35.6 Succinil CoA -35.1 Acetifosfato -44.8 Butirilfosfato -44.8 1,3-bisfosfoglicerato -51.9 Carbamilfosfato -39.3 Fosfoenolpiruvato -51.6 Adenosina fosfosulfato (APS) -88 N10-formiltetrahidrofolato -23.4 Energía de hidrólisis del ATP -31.8

Fermentación Producción de energía en ausencia de oxígeno Respiración Producción de energía junto con consumo de O2