METABOLISMO Son todos los procesos químicos que tienen lugar dentro de una célula Microbiología 2016- UNSL Brock, Biología de los microorganismos. 12ª.

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1 METABOLISMO Son todos los procesos químicos que tienen lugar dentro de una célula Microbiología 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.

2 Metabolismo celular

3 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

4 Por lo tanto, los seres vivos, para poder obtener su moneda energética (principalmente ATP), han de captar alguna fuente de energía externa, del medio ambiente. Veamos, pues, cuáles son los tipos de energía que captan las bacterias y los correspondientes tipos de metabolismos energéticos: 1) Si la energía procede de radiaciones (en los cuantos de una determinada longitud de onda de la luz visible): bacterias fototrofas, que a su vez pueden ser: a) fotolitotrofas: captan energía lumínica en presencia de sustancias inorgánicas; b) fotoorganotrofas: captan energía lumínica con requerimiento de sustancias orgánicas. 2) Si la energía se desprende a partir de moléculas químicas en reacciones biológicas de óxido-reducción: bacterias quimiotrofas, que a su vez pueden ser: a) quimiolitotrofas: captación de energía química a partir de sustancias inorgánicas; b) quimiorganotrofas: captación de energía química a partir de sustancias orgánicas.

5 Suma total de todas las reacciones biosintéticas de la célula.
CATABOLISMO Conjunto de reacciones bioquímicas que conducen a la producción de ENERGIA, PODER REDUCTOR y PRECURSORES para la biosíntesis. ANABOLISMO Suma total de todas las reacciones biosintéticas de la célula. El metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas que permiten el crecimiento de un organismo (por lo tanto, en bacterias, que conduce a la creación de nuevas células). El metabolismo de la célula comprende dos grandes tipos de reacciones: 1)  reacciones de mantenimiento, que suministran a) energía b) poder reductor c) precursores metabólicos 2)  reacciones del anabolismo (biosíntesis), que usan energía y poder reductor procedente de las reacciones de mantenimiento.

6 Catabolismo y anabolismo: papel de la obtención de energía en vincular estos procesos
Anabolismo y catabolismo. Observa que la energía obtenida durante el catabolismo (en los heterotrofos) se usa para la biosíntesis de macromoléculas (anabolismo).

7 La energía se requiere para:
Biosíntesis (anabolismo) Transporte activo Translocación de proteínas a través de la membrana citoplásmica Movimiento flagelar Bioluminiscencia

8 Conservación de energía intracelular
Principalmente por síntesis de ATP ¿Cómo se obtiene el ATP? Fosforilación a nivel de sustrato Fosforilación oxidativa Fotofosforilación Los métodos usados por las bacterias para generar este ATP son principalmente: · fosforilación a nivel de sustrato (en las fermentaciones); · fosforilación oxidativa (en las respiraciones); · fotofosforilación (durante la fotosíntesis).

9 Diferencias entre fosforilación a nivel de sustrato y fosforilación oxidativa
En esta imagen se muestra esquemáticamente lo explicado en el texto de la diapositiva anterior. En los organismos quimiotrofos, la captación de energía consiste esencialmente en la oxidación de un sustrato reducido (orgánico en quimiorganotrofos e inorgánico en quimiolitotrofos) con una redución concomitante de un aceptor de electrones (que a su vez puede ser orgánico o inorgánico), y todo ello acoplado a un sistema de fosforilación del ADP, que se convierte en ATP. La fosforilación oxidativa esta ligada a las membranas 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 O2 u otras moléculas orgánicas o inorgánicas

10 CATABOLISMO Rutas para la obtención de energía, poder reductor y precursores metabólicos: - Fermentación - Respiración - Fotosíntesis

11 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

12 Esquema de la Fermentación

13 REACCIONES ENDERGÓNICAS
Glucólisis REACCIONES ENDERGÓNICAS DE GLUCÓLISIS glucosa ATP ADP invierte 2 ATP Hexoquinasa P glucosa–6–fosfato Isomerasa P fructosa–6–fosfato ATP Fosfofrutoquinasa ADP P P fructosa–1,6–difosfato DiHidroxiAcetona P

14 REACCIONES EXERGÓNICAS
Glucólisis REACCIONES EXERGÓNICAS Aldolasa P P PGAL PGAL Gliceraldehido 3P NAD+ NAD+ NADH NADH Pi Pi P P P P 1,3–difosfoglicerato 1,3–difosfoglicerato fosforilización a nivel de sustrato ADP ADP ATP ATP produce 2 ATP Gliceraldehido 3P deshidrogenasa P P 3–fosfoglicerato 3–fosfoglicerato fosfogliceroquinasa

15 Glicólisis P P 2–fosfoglicerato 2–fosfoglicerato H2O H2O P P PEP PEP
Enolasa P P PEP PEP fosforilización a nivel de sustrato ADP ADP ATP ATP produce 2 ATP Piruvato quinasa piruvato piruvato

16 - regeneración de NAD+ y - productos de fermentación
Fermentaciones: - regeneración de NAD+ y - productos de fermentación Ejemplo:  gliceraldehido-3-P à 1,3-difosfoglicérico à 3-fosfoglicérico La fosforilación a nivel de sustrato está acoplada a un proceso metabólico denominado fermentación. Durante la fermentación, el sustrato orgánico reducido (DH2) es catabolizado, de modo que como acabamos de ver, se produce ATP. Este catabolismo genera, además equivalentes de reducción (en forma de NADH y otros cofactores reducidos) e intermediarios oxidados de la ruta catabólica. Ejemplo: pirúvico à láctico   NADH NAD+

17 PRINCIPALES VÍAS DE FERMENTACIÓN
propiónica Propionibacterium Hidrogenolasa fórmica Fermentación ácido mixta Escherichia coli Fermentación láctica Lactobacilos Fermentación alcohólica Levaduras Fermentación acetoínica Enterobacter Fermentación butírica Clostridium

18 Fermentación Productos principales
Láctica Láctico Alcohólica Etanol, CO2 Ácida mixta Etanol, succínico, H2 CO2, acético, fórmico, láctico, Butilenglicólica Butilenglicol, CO2 Acetono-butírica Acético, acetona, butírico, butanol, CO2, H2

19 Fermentación Alcohólica
glucólisis C6H12O6 2 ATP inversión 2 ADP 2 NAD+ NADH 2 4 ATP 2 piruvato cosecha 2 ATP net forma etanol 2 H2O 2 CO2 2 acetaldehídos electrones, hidrógeno forma NADH Fermentación Alcohólica 2 etanol

20 Bacterias propiónicas
lácticas

21 Bacterias lácticas

22 RESPIRACIÓN Aeróbica Anaeróbica
Proceso de oxidación de sustratos usando un aceptor final de electrones exógeno Aeróbica Anaeróbica Proceso por el cual se oxida un compuesto usando O2 como aceptor final de electrones Cuando el aceptor final de electrones es diferente del O2 (NO3-, SO4=, CO3= fumarato, etc.)

23 Fosforilación oxidativa. Respiraciones
Respiración: obtención de energía por oxidación de sustratos reducidos (DH2), 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

24 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 O2: respiración aerobia Si es distinto del O2: respiración anaerobia

25 Ciclo de Krebs Rica en energía Ciclo de Krebs o del ácido cítrico: el acido pirúvico se reduce totalmente a CO2 mediante reacciones de hidratación, decarboxilación y oxidación

26 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.

27 Tomado de Tórtora, 2007

28 Funcionamiento de la c.t.e. de Paracoccus

29 La ATPasa Porción transmembrana F0 {a, b2, c12} :
La subunidad “a” canaliza los H+ Las dos “b” salen hacia el citoplasma, interaccionando con la porción F1 Las 12 subunidades “c” forman un cilindro que puede rotar en ambos sentidos Porción citoplásmica F1 {α3, β2, γ, δ, ε}:

30 Fuerza protón motriz y ATP sintetasa
Unos 3-4 protones pasan a través de “a” de F0, y pone en marcha la síntesis rotacional del ATP: La entrada de los H+  rotación del cilindro de c12  torsión se comunica a F1 a través de γ, ε  cambio conformacional en subunidades b  se une ADP+P  ATP El papel de b2 δ es de estator (inmovilizador), impidendo que αβ giren con εɤ Las ATP-sintasas son los motores rotatorios más pequeños del mundo vivo (más pequeños que el motor del flagelo bacteriano). Las ATP-asas de membrana pueden funcionar también en sentido inverso al de síntesis, es decir, como ATP-hidrolasas: se produce hidrólisis de ATP, con lo que el motor gira en sentido inverso y se produce la extrusión de protones al exterior. Por lo tanto, en este sentido de funcionamiento, se genera un gradiente de protones a expensas de gasto de ATP intracelular. Esto muestra una vez más que el ATP y el gradiente de protones se pueden considerar como formas diferentes e interconvertibles de energía celular.

31 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+ Las ATP-asas productoras de gradientes de protones existen en bacterias no respiratorias, que carecen de c.t.e., como por ejemplo, las bacterias anaerobias del ácido láctico. Estas bacterias obtienen su ATP por fosforilación a nivel de sustrato, en sus procesos de fermentación. Pero al igual que otras bacterias, necesitan realizar procesos de transporte activo ligado a simporte de protones y pueden moverse por flagelos, por lo que necesitan también crear un gradiente de protones para estos fines. En estas bacterias las ATPasas funcionan siempre como ATP-hidrolasas, conviertiendo parte del ATP obtenido por fermentación en una fuerza protón-motriz que se usa para transporte de nutrientes y para alimentar al motor flagelar.

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

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

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36 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.

37 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 38 moléculas de ATP.

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39 Respiración Anaeróbica
- Los aceptores finales de electrones son diferentes del oxígeno: NO3- Fe+++ SO4= CO3= Fumarato Se libera menos energía cuando se usan estos aceptores de electrones La fuerza electromotriz de protones también se realiza

40 FOTOSÍNTESIS Es la conversión de la energía lumínica en energía química Los microorganismos que realizan fotosíntesis se llaman FOTOTROFOS

41 Producción de energía y poder reductor
Bacterias fotótrofas Plantas verdes Algas Cianobacterias

42 PIGMENTOS FOTOSENSIBLES
Su presencia es necesaria para que se realice la fotosíntesis Clorofila, Bacterioclorofila Carotenoides Ficobilinas

43 Clorofila a Fotótrofos oxigénicos Bacterioclorofila a Fotótrofos anoxigénicos

44 PIGMENTOS FOTOSENSIBLES
BACTERIAS ROJAS Y VERDES CIANOBACTERIAS CIANOBACTERIAS Ficobiliproteínas βcaroteno Aumentan la eficacia fotosintética y función protectora (luz perjudicial y sust toxicas del O2

45 Centros antena (claros) y Centros reactivos (oscuros)

46 Cianobacterias Bacterias púrpuras Nostoc tilacoides
Invaginación de la MP: Lamelas tilacoides

47 Bacterias fotosintéticas
Cromatóforos Membranas fotosinteticas vesiculares

48 Clorosoma: sistemas antena gigantes
Bacterias verdes

49 Ficobilinas y ficobilisomas

50 Fotosíntesis Oxigénica acíclica Ph: feofitina (sin Mg2+)
PC: plastocianina (Cu+) Cianobacterias

51 Esquema Z tumbada

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53 Fotosíntesis anoxigénica cíclica
Bacterias rojas Poder reductor Bacterias verdes Fotosíntesis anoxigénica cíclica

54 Autotrofia 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

55 Ciclo de Calvin o del C3 CO2 H2O H2O ATP NADPH2 Pi Fosforibulo quinasa
Ribulosa 1 fosfato Ribulosa 1,5 difosfato CO2 H2O RubisCO Compuesto inestable Fructosa 6-fosfato GLUCOSA Acido 3-difosfoglicérico H2O 3-fosfo gliceraldehído Las principales etapas de la fase oscura se pueden sintetizar así : La ribulosa, una pentosa de cinco carbones ( 5C ), se produce continuamente en la célula microbiana : Actúa como una plantilla en la captación del CO2 y luego se recupera. En el ciclo del carbono se forman compuestos inestables que rápidamente se transforman en otros. En presencia de agua, tres moléculas de CO2 reacciona con 3 moléculas de la ribulosa para formar tres moléculas de un compuesto intermedio inestable de seis carbonos ( 6C ). El compuesto intermedio inestable de seis carbonos se rompe en dos, formando seis moléculas de ácido 3 fosfoglicérico, de 3 carbonos ( 3 C) El ácido 3 fosfoglicérico recibe los H y la energía de la fase lumínica, transportados por el ATP y NADPH2 , y se convierte primero en 6 moléculas de ácido 1,3 difosfoglicérico, que luego se convierten en seis moléculas 3 - fosfogliceraldehído De las seis moléculas 3 - fosfogliceraldehído se utilizan cinco para regenerar el compuesto de cinco carbonos que sirve de plantilla (la ribulosa) para la captación de CO2 y queda una molécula de 3 - fosfogliceraldehído. El ciclo se debe cumplir dos veces para que dos moléculas de 3 - fosfogliceraldehído se conviertan en una molécula de un azúcar sencillo como la fructosa 6-fosfato y esta a su vez se convierta en glucosa, como producto final principal de la fotosíntesis. Algunos de los compuestos intermedios, como el ácido fosfoglicérico pueden seguir otra vía metabólica y ser transformados en ácidos orgánicos, lípidos, aminoácidos y ácidos nucleicos ( Figura 51). La glucosa formada en la fotosíntesis se convierte, por procesos enzimáticos en otras sustancias de los microorganismos : lípidos (grasa, aceites), proteínas (hormonas, enzimas), carbohidratos (glicógeno, celulosa) y vitaminas. Algunos de ellos pueden ser aprovechados más tarde en procesos de respiración aeróbica o anaeróbica para extraerles su energía NADPH2 Pi Acido 1,3-difosfoglicérico ADP +NADP

56 ANABOLISMO Reacciones de BIOSINTESIS
- Fijación de CO2 - Ciclo de Calvin - Derivaciones del TCA - Glucólisis invertida - Síntesis de peptidoglicano

57 Inversa del ciclo de Krebs
Fijación de CO2 (2): Bacterias fotótrofas verdes Inversa del ciclo de Krebs

58 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

59 Muchas gracias!!