Metabolismo de Procariotas

Bibliografía: Brock. Cap 5. Nutrición, cultivo y metabolismo microbiano. Brock. Cap 17. Diversidad Metabólica.

“La paciencia es la madre del éxito”

Estructura de la clase

• Clases de metabolismo

• por la fuente de Energía

• por la fuente de Carbono

• Relación con el oxígeno

• Quimioorganótrofos

- Respiración aerobia

- Respiración anaerobia

- Fermentación

Potenciales de reducción

• El donador de e- es como una fuente de E, ya que en la reacción de donación de e-, se libera energía.• Cuánta mayor diferencia en Eo, mayor E liberada.

Compuestos ceden e-

Energía

Almacenamiento

Fuente de E

El dador de e- es tan importante como el aceptor.Sin uno de ellos, la reacción REDOX no puede ocurrir.

Clases de Metabolismo

Por el tipo de fuente de Energía:

• Fotótrofos: luz• Quimiolitótrofos: compuestos inorgánicos (H, H2S, Fe)• Quimioorganótrofos: compuestos orgánicos.

Todos las células requieren carbono (C) como nutriente principal.

Por el tipo de fuente de C:

• Heterotrofos: compuestos orgánicos. Ejemplos: todos los quimioorganotrofos.

• Autotrofos: fijan CO2 (Ciclo de Calvin o Inversión del Ciclo del ácido Cítrico u otras). Se necesita:

- ATP - poder reductor (NADH o NADPH).

Ejemplo: mayoría fotótrofos y muchos quimiolitótrofos.

Metabolismo en procariotas

Luz Compuestos Inorgánicos

Compuestos Orgánicos

CO2

Compuestos orgánicos Heterótrofo

Autótrofo

Energía

Carbono

Fuente

Fotótrofo Quimiolitótrofo Quimioorganótrofo

Fotoautótrofo Autoquimiolitótrofo

Fotoheterótrofo (pocos)

Mixótrofo (algunos) Quimioorganótrofo

Mecanismos de conservación de la energía:

- respiración: aeróbica anaeróbica.

- fermentación

Quimioorganótrofos

• Todos sintetizan ATP con energía liberada de reacciones redox.

Obtienen Energía y C de compuestos orgánicos

Quimioorganótrofos

Respiracion anaeróbica: - nitratos (NO3-), hierro férrico (Fe3+), sulfatos (SO4

=), carbonatos (CO3=) y

compuestos orgánicos aceptan e- y se libera CO2. - La bomba de protones produce ATP por fosforilación oxidativa.

Fermentación: - Síntesis de ATP (menos) mediante fosforilación a nivel sustrato, en lugar de bomba de H+. - Ocurre en ausencia de oxígeno y de aceptores de e- apropiados. - ATP se forma durante los pasos de catabolismo de un compuesto orgánico.

Respiracion aeróbica: - O2 aceptor final de e- y se libera CO2. - La bomba de protones produce ATP por fosforilación oxidativa.

Fermentación

El O2 no es muy soluble y ambientes se hacen anóxicos fácilmente.

Entonces, la descomposición de materia orgánica ocurre anaeróbicamente.

Si no existen suficientes aceptores de e- (O2, SO4=, NO3-, Fe+++), el carbono

será metabolizado por fermentación.

La sustancia fermentada es el aceptor y dador de e-.

Síntesis de ATP mediante fosforilación a nivel sustrato, en lugar de bomba de H+. Ocurre en anaerobiosis.

Quimioorganótrofos

Uniones de P ricas en E son transferidas directamente a ADP para formar ATP.

Glucólisis: “ruptura de azúcares”

• Primer paso en la respiración y en la fermentación.• Proceso anaeróbico.• Producción de ATP y piruvato

FermentaciónQuimioorganótrofos

Un proceso conocido de fermentación es la glucólisis.

La glucólisis en organismos fermentadores consiste en 3 etapas:

etapa 1: reacciones preparatorias

etapa 2: conservación de energía

etapa 3: consumisión de NADH y producción de productos de fermentación.

Fermentación: Glucólisis etapas 1 y 2

Etapa 1: Reacciones preparatorias •No son reacciones redox•Necesitan energía.• Da 2 moléculas de gliceraldehído 3P

•Ocurren reacciones redox y producción de ATP•Se forman 2 moléculas de piruvato

Etapa 2: conservación de energía lisis

Fermentación: Glucólisis

Etapa 3: fermentación.• Ocurren reacciones redox• Oxidación de NADH a NAD+. • Producción de productos de fermentación.

Se consideran productos de desecho en la regeneración de NAD+ en ausencia de O2. Los productos de fermentación contienen energía (no son oxidados completamente). Como consecuencia, la producción de ATP por fosforilación a nivel sustrato es menos eficiente que la fosforilación oxidativa. Producción neta de E: 2 ATP.

Mymicrobiologyplace.com: glycolisis: steps Mymicrobiologyplace.com: fermentation

Homofermentativo: producción única de ácido láctico de la fermentación de glucosa.

Heterofermentativo: producción de varios productos, como lactato, etanol, CO2 de la fermentación de la glucosa.

FermentaciónQuimioorganótrofos

Los productos de fermentación difieren dependiendo el organismo.

• Fermentación de etanol:- Importante en producción de pan, cerveza y vino.- Normalmente solo un producto es deseable: pan (alcohol se descarta), vino (CO2 se elimina).

• Fermentación de ácido láctico:- ocurre en músculo animal cuando se necesita más E y hay poco O2.- ocurre en bacterias (en yogur) y hongo

Existen muchas otras vias de fermentación (Capítulo 17):

- a partir de proteínas- a partir de ácidos nucleicos- pero no a partir de ácidos grasos

Productos de fermentación y la industria alimenticia: Capítulo 25 (Brock 12va edicion)

Mecanismos de conservación de la energía:

- respiración: aeróbica anaeróbica.

- fermentación

Quimioorganótrofos

• Todos sintetizan ATP con energía liberada de reacciones redox.

Obtienen Energía y C de compuestos orgánicos

La respiración celular, aeróbica o anaeróbica, ocurre en 4 etapas:

1- Glucólisis (etapas 1 y 2 de la glucólisis)

2- Ciclo del acido cítrico o de Krebs

3- Cadena transportadora de e-: NADH acarrea e-; el aceptor final de e- es el oxígeno que produce agua (cuando la respiración es aeróbica) u otro compuesto (respiración anaeróbica).

4- Síntesis de ATP con la ATPasa por fuerza protón motriz.

Respiración celular

Es la oxidación bioquímica de compuestos orgánicos y consecuente producción de ATP.

Luego el ATP es utilizada como la energia para procesos como biosíntesis, transporte, movimiento, etc.

Quimioorganótrofos

Dónde ocurren en Eucariotas? Y en Bacterias?

Mitocondria

Paso 1: Glucólisis: producción de ATP, de NADH y acetil CoA, en anaerobiosis.

Respiración aeróbica

El aceptor final de e- es el O2. Glucosa es oxidada hasta CO2. Gran producción de ATP.

1- Glucólisis

Ciclo del ácido cítrico o Krebs

Respiración aeróbicaQuimioorganótrofos

Los transportadores de electrones reducidos (NADH y FADH) van a generar una fuerza protón motriz.

• Implica la oxidación completa del piruvato a CO2, con una gran liberación de energía.

• La E liberada es mucho mayor a la liberada en la fermentación.

Mymicrobiologyplace.com: krebs cycle

Fosforilación oxidativa: Cadena transportadora de e-, gradiente de protones y síntesis de ATP.

Respiración aeróbica

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Quimioorganótrofos

La cadena transportadora de e- consiste en transportadores unidos a la membrana plasmática que intermedian el transporte de e- desde el donante primario al O2, que es el aceptor final.

• NADH es el donante de e- más fuerte• O2 es el aceptor de e- más fuerte.

Cuando los e- son transportados, H+ son separados de los e- y enviados afuera de la membrana, formando la fuerza protón motriz.

Respiración aeróbica: Cadena transportadora de e-Quimioorganótrofos

• Complejo II (succinate dehydrogenase complex): transfiere E de alta E del FADH a Q.

• Complejo III (cytochrome bc1 complex): transfiere e- de Q a citocromos (contiene heme), proteinas Fe-S (e.g. ferrodoxin) y al citocromo c.

• Complejo IV (terminal oxidase): transfiere e- del citocromo c al citocromo a, al citocromo a3 y al O2.

• El O2 cargado negativamente, se uno con H2 y forma H20.

• Complejo I (NADH quinone oxidoreductase): transfiere e- de alta E del NADH a FMN (flavin mononucleotido), a proteínas Fe-S y a coenzima Q (quinonas, transportador no proteico).

Mymicrobiologyplace.com: electron-transport chain: the process

La Torre RedoxRespiración aeróbica

Quimioorganótrofos

Fuerza protón motriz

• La fuerza protón motriz consiste en un gradiente de pH y un potencial electroquímico a traves de la membrana plasmática.

• Dentro de la membrana es electricamente negativo y alcalino.

- Esta fuerza permite que la ATP sintasa (ATPasa) produzca ATP por fosforilación oxidativa.

- ATPasa actúa como un motor: movimiento de H+ hace que roten las proteínas c y la E es transferida al complejo F1.

Preguntas

Cuál es el rol de NAD+/NADH en la glucólisis?

Una población de levaduras puede vivir con O2 o sin O2 con suplemento de glucosa. En cuál caso cree que la población de levaduras crecerá con mayor velocidad?

Diseñe un medio de cultivo para un organismo que puede crecer en acetato como fuente de carbono y energía. Incluya todos los componentes que pueda.

Quién es el aceptor de los e- derivados de la media reacción redox:Succinato - fumarato? Por qué?

Mecanismos de conservación de la energía:

- respiración: aeróbica anaeróbica.

- fermentación

Quimioorganótrofos

• Todos sintetizan ATP con energía liberada de reacciones redox.

Obtienen Energía y C de compuestos orgánicos

Sistema de Vida Anaeróbico

El metabolismo anaeróbico es único de los procariotas.

En eucariotas es muy raro.

En presencia de O2 se favorece la respiración aeróbica

hasta que se agota el O2.

Algunos procariotas son anaerobios estrictos, incapaces

de usar el O2.

Quimioorganótrofos

• Aceptores de e-: nitratos (NO3-), hierro férrico (Fe3+), sulfatos (SO4=), carbonatos (CO3=) y compuestos orgánicos.

Metabolismo quimioorganotrofo

GlucólisisRespiración anaeróbica

Fosforilación oxidativa: Cadena transportadora de e-, gradiente de protones y síntesis de ATP.

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Aceptor de e- distinto de O2

Quimioorganótrofos

Ciclo del ácido cítrico o Krebs

La Torre Redox

Ninguno de estos aceptores de e- es tan electropositivo como el par O2 /H2O .

Menor cantidad de E es liberada en la respiración anaeróbica.

Respiración anaeróbicaQuimioorganótrofos

• Aceptores de e-

Respiración anaeróbicaQuimioorganótrofos

Distintas formas de respiración anaeróbica

Reducción de nitrato

• Compuestos nitrogenados son aceptores de e- comunes en la respiración anaeróbica.

• Ej. el nitrato es reducido a nitrito.• El nitrito puede reducirse aún más.

Respiración anaerobia

• Todas las enzimas son inhibidas por el O2.

• La mayoría son proteobacterias y aerobios facultativos y usan otros aceptores anaerobicamente.• Ej. Pseudomonas stutzeri.

• Muchos de los productos son gaseosos y se pierden (desnitrificación).

• Proceso perjudicial para la agricultura pero beneficiosa para tratamiento de aguas.

Desnitrificación

Respiración anaerobia: reducción del nitrato a nitrito

Video:http://www.sp.uconn.edu/~terry/Common/respiration.html

FlavoproteinaQuinonasCytocromo b

Cuáles transportadores de e- se utilizan en la respiración de nitrato?

Reducción de sulfato

• Varios compuestos de S son aceptores de e- en la respiración anaeróbica.

• El sulfato es la forma más oxidada de S y existe en grandes cantidades en agua de mar.

• Bacterias sulfato reductoras, reducen el sulfato a H2S (sulfuro).

Respiración anaerobia

• Anaerobios estrictos• Ej. Desulfovibrio.• Una sola Archaea reduce el sulfato: Archaeoglobus

Reducción de S0 a H2S también ocurre en varias bacteris.Ej.: Desulfuromonas acetoxidans

CO2 como aceptor de e-

En ambientes anóxicos, procariotas anaerobios estrictos usan CO2 (carbonato) como aceptor de e.No es un buen aceptor pero está presente en gral.Ejemplos:

- Homoacetógenos- Metanógenos.

El H2 es un donante importante de e-.

Respiración anaerobia

Asimilación versus Respiración

Tanto el nitrato, sulfato y carbonato se asimilan mediante una reducción y son las fuentes de N, S y C.

Asimilación es la reducción de un compuesto inorgánico para usar en la biosíntesis.

Disasimilación es la reducción de un compuesto inorgánico como aceptor en la respiración, en el metabolismo energético.

En la asimilación, solo se reduce el compuesto lo necesario para satisfacer las necesidades de biosíntesis.

En la respiración, una gran cantidad de compuesto se reduce y el producto reducido se excreta al ambiente.

En qué se diferencian la respiración y la fermentación?

Escherichia coli es capaz de fermentar glucosa. Además, crecen más rápido si se les da NO3- (y se produce NO2) y crecen aun más rápido si se aerea el cultivo. Por qué?

Pregunta

Indique cuál podría ser la relación con el oxígeno

de un Quimioorganotrofo?

Proximo miercoles:

8.30 clase teorica

14.30 Trabajo Practico obligatorio en CICUNC