METABOLISMO MICROBIANO FUNDACIÓN H.A BARCELÓ TECNICATURA DE ANÁLISIS CLÍNICOS MICROBIOLOGÍA 1° CUATRIMESTRE 2015 Lic. Maria Andrea Camilletti

Autótrofos Heterótrofos NUTRIENTES Degradación y obtención de Energía (Catabolismo) Biosíntesis (Anabolismo) Necesarios para NUTRIENTES Fuentes de C CO2 Moléculas orgánicas Autótrofos Heterótrofos Compuesto orgánico se puede degradar hasta CO2 Estas reacciones involucran oxidaciones que proveen energía y poder reductor Obtienen el C para la síntesis de componentes celulares por reducción del CO2 CO2 (CH2O)n E E + Poder reductor CO2 + (CH2O)n Poder reductor

Fototrofos Quimiotrofos ENERGÍA Transporte activo, movimiento, división celular Biosíntesis Necesaria para ENERGÍA Fuentes Luz Ruptura de uniones químicas Fototrofos Quimiotrofos Fotosíntesis anoxigénica Fotosíntesis oxigénica Reacciones REDOX Puede ser oxidación de un comp. inorgánico (Quimiolitotrofos) U Orgánico (Quimioorganotrofos)

ALGUNOS CONCEPTOS DE QUÍMICA REPASAMOS ALGUNOS CONCEPTOS DE QUÍMICA

La Oxidación Pierde Electrones, la Reducción Gana Regla de “LOPE REGA” La Oxidación Pierde Electrones, la Reducción Gana REDUCCIÓN Dador e- Dador oxidado Aceptor e- Aceptor reducido OXIDACIÓN

Siempre ocurre de a pares: REACCIONES REDOX Siempre ocurre de a pares: Necesito un compuesto que se oxide (pierde e-) y otro compuesto que gana e- (se reduce). Ej: Lactato + NAD+ NADH + H+ + Piruvato Se oxida Se reduce

Potencial REDOX y G° E° o potencial REDOX refleja la tendencia a captar o perder e-. Cuanto mayor es la diferencia entre los compuestos involucrados en reacción > es la energía liberada E° = E° Dador – E° Aceptor G°: Cambio de energía libre. Es lo que miramos para ver cuanta energía nos dá un proceso G° = -n.F. E G° < 0 Reacción exergónica, libera E G° > 0 Reacción endergónica, requiere E

FOTÓTROFOS

Fotótrofos: Fotosíntesis Oxigénica CO2 + 2 H2O  CH2O + O2 + H2O Procesos ocurren en la membrana de los procariotas. Ej: Cyanobacterias Fotosist I y II

Estos e- son captados por NADP+ (se reduce) b) Moléculas de clorofila del fotosistema I (P700) son excitadas por la luz y emiten e- P700  P700* (oxidada) + e- Estos e- son captados por NADP+ (se reduce) b) Fotofosforilación Cíclica –Fuerza Protón Motriz – Síntesis de ATP c) Fotofosforilación no cíclica – Fuerza protón Motriz – Síntesis de ATP a)

Simultáneamente d) Moléculas de clorofila del fotosistema II (P680) también son excitadas por la luz y emiten e-, que pasan por una cadena de transporte y reducen a P700*, esto genera una fuerza H+ motriz que dá lugar a la síntesis de ATP (fotofosforilación no cíclica) e) P680* es un agente fuertemente oxidante, toma e- del H2O generando O2. d) Fotofosforilación Cíclica –Fuerza Protón Motriz – Síntesis de ATP Fotofosforilación no cíclica – Fuerza protón Motriz – Síntesis de ATP e)

Fotosíntesis: Fase luminosa Complejo ATP-Sintetasa 12 H2O + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi  6 O2 + 12 NADPH + 12 H+ + 18 ATP Las bacterias requerirán la generación de PODER REDUCTOR neto, pues usan CO2 como principal fuente de carbono.

Fotosíntesis: Fase oscura 6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H+ +  (CH2O)6 + 6 H2O + 18ADP + 18Pi +12 NADP+ En la fase oscura se requieren de varias moléculas de ATP y de NADPH para reducir una molécula de CO2

Fotótrofos: Fotosíntesis anoxigénica No se forma oxígeno en la fotosíntesis realizada por estas bacterias. Ej: Bacterias púrpuras del azufre H2S + CO2 (CH2O)n + S° S° + CO2 (CH2O)n + H2SO4 Este tipo de bacterias fotosintéticas, carecen del fotosistema II Producen ATP sólo por fotofosforilación cíclica Usan como dadores de electrones H2, H2S, S°

Fotosíntesis anoxigénica Fotosíntesis Oxigénica H2S S° SO42- CO2 (CH2O)n e- ATP ADP hv H2O ½ O2 CO2 (CH2O)n e- ATP ADP hv e-

QUIMIOTROFOS

Quimiotrofos Fuente de energía es un dador de e- Compuesto reducido  compuesto oxidado Al oxidarse, se convierte en dador de electrones. A partir del transporte de e-  Obtiene Energía Puede ser: Inorgánico  Quimiolitotrofos Ej: H2  2H+ + 2e- Fe2+  Fe3+ + 1e- Orgánico  Quimioorganotrofos Ej: C6H12O6  CO2 + 24e-

¿Qué hace el microorganismo con la Energía liberada en las Reacciones REDOX? Usarla en otras reacciones inmediatas Transportarla con transportadores de electrones intermediarios Convertirla en ATP Transportadores de e- Coenzimas, NO son consumidas durante la reacción, hay reciclaje de las mismas NAD+ / NADH NADP+ / NADPH En rxnes CATABÓLICAS Cuando actúan como aceptor de e-, se reducen: NADP+  NADPH En rxnes ANABÓLICAS Son dadores de e-, se oxidan: NADH  NAD+

¿Cómo genero ATP? Fosforilación a nivel del sustrato: Ocurre durante la degradación del sustrato que es usado como fuente de energía Fosforilación oxidativa: Proceso respiratorio Fotofosforilación: Usa luz para generar ATP

Fuerza Protón-Motriz Fuerza mediante la cual puedo sintetizar ATP por medio de un gradiente de carga y H+. La membrana celular puede existir en un estado “cargado” energéticamente donde quedan separados H+ y OH- en ambos lados de la membrana. Esta separación de carga es un forma de energía análogo al potencial de energía en una batería cargada. Este estado energizado de la matriz llamado Fuerza protón Motriz es responsable de las funciones que realiza la cél dependientes de energía tales como sintetizar ATP.

Fuente de energía (dador de e-) Metabolismo Quimiolitotrofo Fuente de energía (dador de e-) Compuesto inorgánico (H2S, H2, NH3) CO2 Flujo de Carbono Flujo de e- Fuerza motriz De H+ NADH NADPH Biosíntesis ATP O2 Respiración Aeróbica

Metabolismo Quimiolitotrofo En la naturaleza las fuentes que proveen los compuestos inorgánicos son: Actividad volcánica (H2S)  Origen geológico Agua de mar, sedimentos  Origen biológico Hierro  Minería Desechos agrícolas, tratamiento de aguas  Actividad humana Grandes grupos de acuerdo al sustrato: Bacterias que oxidan H2 Bacterias que oxidan compuestos reducidos de S Bacterias que oxidan Fe2+ Bacterias Nitrosificantes (NH3  NO2-) Bacterias Nitrificantes (NO2-  NO3- )

Respiración Anaeróbica Metabolismo Quimioorganotrofo Flujo de Carbono Compuesto orgánico CO2 Flujo de e- Biosíntesis Fuerza motriz De H+ NO3- SO42- S° Aceptores orgánicos de e- ATP Respiración Anaeróbica O2 Respiración Aeróbica

Vías catabólicas generadoras de ATP en bacterias quimioorganotrofas y quimiolitotrofas Compuestos químicos orgánicos Compuestos químicos inorgánicos reducidos ATP FERMENTACIÓN RESPIRACIÓN RESPIRACIÓN ADP Compuestos inorgánicos Compuestos inorgánicos Metabolitos orgánicos

Respiración Fermentación Vías catabólicas que producen la oxidación de compuestos químicos y la conservación de la energía en ATP Respiración Fermentación Proceso de óxido-reducción en el que el dador de e- puede ser un compuesto orgánico o inorgánico reducido y el aceptor final de e- es un compuesto inorgánico: Si es el aceptor final de e- es O2 Respiración Aeróbica Si el aceptor final de e- es otro comp. inorgánico como nitrato, sulfato, carbonato o Fe (III)  Respiración Anaeróbica Proceso de óxido-reducción entre diferentes compuestos orgánicos derivados del mismo sustrato fermentable No requiere O2

Respiración Fermentación Vías catabólicas que producen la oxidación de compuestos químicos y la conservación de la energía en ATP Respiración Fermentación

Ocurre en fermentación y en respiración Formación de piruvato Ocurre en fermentación y en respiración

Formación del Piruvato Glucosa Piruvato Proceso anaeróbico Via del ácido 2-ceto-3desoxi-6-fosfoglucónico ó de Entner Doudoroff Via Glucolítica ó de Embden-Meyerhof-Parnas Via del Fosfogluconato ó de Vía de los fosfatos de pentosas

Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) Via Glucolítica ó de Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) Obtención de ATP por fosforilación a nivel del sustrato

Via del Fosfogluconato ó de Vía de los fosfatos de pentosas

Via del ácido 2-ceto-3desoxi-6-fosfoglucónico ó de Entner Doudoroff

Fermentación

Fermentación Vía metabólica donde los compuestos orgánicos generan piruvato y las transformaciones posteriores de este compuesto se dan en anaerobiosis Es poco eficiente para generar ATP (fosforilación a nivel del sustrato) Fermentación alcohólica Ej. Saccharomyces, Zymomonas b) Fermentación láctica Ej. Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus

Resumiendo… Las fermentaciones son procesos microbianos en los cuales ocurren transformaciones de compuestos orgánicos controladas enzimáticamente Por medio de la ruptura de la molécula de glucosa (glucólisis) se pierden e- que pasan al piruvato El producto resultante de desecho es excretado fuera de la célula Estos productos de fermentación pueden ser: etanol, butanol, ácido láctico, acetona, dióxido de carbono, etc.

Respiración

Respiración Formación del piruvato Ciclo de Krebs Cadena respiratoria (Fosforilación oxidativa)

Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) Via Glucolítica ó de Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) Obtención de ATP por fosforilación a nivel del sustrato

Ciclo de Krebs

Cadena Respiratoria – Fosforilación oxidativa

Cadena respiratoria Conjunto de proteínas ancladas en la membrana Cadena de transporte de e-, siempre es unidireccional Los componentes pueden ser difusibles (ej: NAD+, NADP+) o fijos (Flavoproteínas, quinonas, citocromos); y transportan e- y H+ Como consecuencia tengo un gradiente: Carga H+ Fuerza Protón-Motriz Síntesis ATP

Fosforilación oxidativa Cadena de transporte de e- Formación de ATP asociado a un proceso REDOX Proceso complejo que permite obtener > Energía Requiero de: Cadena de transporte de e- Dador e- Aceptor e- Ej: Compuesto orgánico o inorgánico reducido Ej: O2 (aerobios) NO3-; SO3-; SO42- (aerobios)

RESUMIENDO

CATEGORÍAS NUTRICIONALES DE LOS MICROORGANISMOS AUTÓTROFOS HETERÓTROFOS Fuente de Carbono CO2 Nutrientes orgánicos FOTOTROFOS QUIMIOTROFOS Fuente de Energía Luminosa Oxidación de compuestos químicos orgánicos e inorgánicos LITOTROFOS ORGANOTROFOS Dadores de electrones o de átomos de Hidrógeno Compuestos inorgánicos reducidos Compuestos orgánicos reducidos

CONSUMIDORES = HETERÓTROFOS PRODUCTORES = AUTÓTROFOS Fotosíntesis oxigénica CO2 + H2O M.Org+ O2 Respiración aerobia M.Org + O2 CO2 + H2O SH2 S ° S2O32- H2 Comp. Org. reducidos SO4 2- S 2- CO2 + M.O + S ° S 2- Fotosíntesis Anoxigénica Respiración anaerobia NO3 - NO2 -; N2O; N2 S ° SO42- H2O Comp. Org. Oxidados M.O + Fe 3+ Fe 2+ CO2 Litoautotrofia SH2; NH3; CH4; H2 Fe2+ CO2 M.O (alta energía) M.O (baja energía) Fermentación SO42-; NO2-; NO3-; CO2; H2O Fe3+ M.O

CATEGORÍAS NUTRICIONALES DE LAS BACTERIAS Fuentes de Energía Fuentes de Electrones/ Hidrógeno Fuente de Carbono Bacterias representativas Fotolitoautótrofos Luz H2O, H2S, S CO2 Cianobacterias, Bacterias sulfúreas púrpuras y verdes Fotoorganoheterótrofos Compuestos orgánicos Orgánicos Bacterias púrpuras no sulfúreas Quimiolitioautótrofos Oxidación de compuestos inorgánicos Inorgánicos: H2, S, H2S, Fe (II), H3N, NO2- Bacterias del hidrógeno, Thiobacillus thiooxidans y otros. Thiobacillus ferrooxidans. Nitrosomonas spp. Nitrobacter spp. Quimioorganoheterótrofos Oxidación de compuestos orgánicos Compuestos orgánicos (glucosa) Compuestos orgánicos Mayoría de bacterias quimiotrofas, incluyendo las patógenas