5-1Introducción al Metabolismo

Microbiano

Instituto Tecnológico de ColimaIngeniería Ambiental

Si la energía proviene de radiaciones, los MO son fotótrofos.

• Fotolitótrofos: Captan energía lumínica en presencia de sustancias inorgánicas.

• Fotorganótrofos: Cuando lo hacen en presencia de sustancias orgánicas.

Si la energía se desprende a partir de moléculas químicas en reacciones biológicas

de óxido-reducción, los MO son quimiótrofos.

• Quimiolitótrofos: Captan energía química a partir de sustancias inorgánicas.

• Quimiorganótrofos: Captan dicha energía a partir de sustancias orgánicas.

Recordando…

Los principales métodos empleados para producir ATP son:

•Fosforilación a nivel sustrato (Fermentaciones).

• Fosforilación oxidativa (Respiraciones).

• Fotofosforilación (Fotosíntesis).

Los 3 métodos tienen aplicaciones industriales / ambientales

Fosforilación a nivel sustrato

Sistema usado por algunas bacterias quimiorganótrofas

El sustrato pasa por una ruta catabólica (glucólisis, por ejemplo), y uno de los

intermediarios es oxidado por una coenzima (NAD+), formando un intermediario no

fosforilado con gran energía de hidrólisis. Este intermediario experimenta enseguida una

sustitución con un fosfato para dar la forma acil-fosfato (enlace de alta energía).

Finalmente, el acil-fosfato dona su fosfato de alta energía al ADP, formando ATP.

Lactobacillus brevis

Ejemplo:

Intermediario a oxidar

IntermediarioAcil-fosfato

Intermediario oxidado

La fosforilación a nivel sustrato está acoplada a la fermentación. Durante este proceso se generan, además de ATP:

• Equivalentes de reducción (NADH)

• Intermediarios oxidados de la ruta catabólica.

Es característico de las fermentaciones que los equivalentes de reducción reaccionen

con uno de esos intermediarios, que se reduce (producto de la fermentación) para

regenerar la coenzima oxidada.

Ejemplo:

Puntos importantes:

En la fermentación, el aceptor final de electrones es un compuesto orgánico

endógeno producido en la misma ruta (en la respiración el aceptor es exógeno).

El rendimiento energético de la fermentación es bajo. En la fermentación

homoláctica se producen 2 moles de ATP por mol de glucosa consumido (en la

respiración se producen 28).

Para que un organismo crezca en estas condiciones, necesita degradar grandes

cantidades de sustrato fermentable.

El sustrato orgánico se oxida parcialmente, por lo que parte del carbono se excreta y

el resto se usa para las reacciones biosintéticas.

Las fermentaciones se dan en determinados microrganismos quimiorganótrofos

anaerobios obligados o facultativos (cuando crecen en ausencia de CO2).

La fosforilación a nivel de sustrato se caracteriza por:

• Ser un proceso escalar (no influye su situación espacial dentro de la célula).

• Las transferencias de grupos químicos en la serie de reacciones bioquímicas

son catalizadas por enzimas solubles (en citoplasma).

• La existencia de intermediarios metabólicos (antes del ATP) en los que el

fosfato está unido covalentemente.

Tipo de Fermentación Producto(s)

Láctica Ácido Láctico

Alcohólica Etanol y CO2

Ácida-mixta Etanol, ác. Succínico, acético, fórmico, láctico, CO2, H2

Butilenglicólica Butilenglicol, CO2

Aceto-butírica Ác. Acético, butírico, acetona, etanol, butanol, CO2, H2

Streptococcus termophilusLactobacilus bulgaricusBifidobacterium animalis

Existen varios tipos de fermentaciones microbianas, dependiendo del producto final de la fermentación:

Fosforilación oxidativa

Respiración: Obtención de energía por oxidación de sustratos reducidos, donde las

coenzimas reducidas no transfieren directamente los electrones a un aceptor final oxidado

(como en la fermentación), sino a través de una cadena transportadora de electrones, al

final de la cual existe un aceptor exógeno oxidado que se reduce.

• Si el aceptor final es el O2, la respiración es aerobia.

• Si el aceptor final es distinto del O2, la respiración es anaerobia.

La cadena transportadora de electrones

Está formada por una serie ordenada de moléculas transportadoras situadas en la

membrana citoplasmática y sus invaginaciones, moléculas que sufren oxidaciones y

reducciones reversibles.

Donadores de electrones: FADH2 y NADH+H+, generados en la glucólisis o el ciclo de Krebs.

Principales componentes:

NADH deshidrogenasas: Aceptan átomos de H a partir del NADH, y se los ceden a las

flavoproteínas.

Flavoproteínas: Aceptan átomos de H, y ceden electrones.

Proteínas Fe-S: Transportan solamente electrones.

Quinonas: Aceptan átomos de H, y ceden electrones.

Citocromos: Sufren oxidación y reducción por pérdida y ganancia de un electrón cada

vez.

Diagrama general de la cadena transportadora de electrones en bacterias.

• Los electrones fluyen desde los transportadores con potencial de

reducción más negativo hacia los de potencial más positivo, hasta que

reducen a un aceptor final de electrones obtenido del ambiente.

• Los protones salen al exterior de la membrana citoplásmica. Como la

membrana es impermeable a su paso, los protones crean un gradiente

electroquímico, una forma de energía potencial que puede realizar

trabajo, llamada fuerza protón motriz..

FADH2

NADH+H+

La ATP-sintasa dependiente de protones

Medio

Citoplasma

Es la encargada de convertir la fuerza protón motriz en ATP. Puede funcionar de modo

reversible, como ATP-sintasa y como ATP-hidrolasa. Consta de dos partes funcionales:

F0: Es un complejo que trasloca los protones a través de la membrana.

F1: Se encuentra en el citoplasma, y es donde se sintetiza el ATP.

Tipos de respiraciones

Según los tipos de donadores de electrones:

Quimiorganotrofía: “Respiran” una fuente orgánica de electrones. Dicha fuente, al

ser oxidada, sirve también para generar intermediarios metabólicos para reacciones

biosintéticas.

Quimiolitotrofía: El donador de electrones es una molécula orgánica reducida. Los

quimiolitótrofos se pueden clasificar según el tipo de donador inorgánico que

“respiran”:

Oxidadores de H2 (lo oxidan hasta H2O).

Oxidadores de Fe (pasan Fe2+ a Fe3+).

Oxidadores de S (de S2- y S0. La oxidación total produce H2SO4).

Nitrificantes: Existen dos subtipos:

Oxidadores de amoniaco (nitrosos): Convierten NH3 en NO2-.

Oxidadores de nitrito (nítricos): Convierten NO2- en NO3

-.

Según los tipos de aceptores de electrones:

Respiración aerobia: El O2 funciona como aceptor de electrones procedentes de la

cadena transportadora, y junto con protones se reduce a H2O.

Respiración anaerobia: El aceptor final de electrones es diferente del O2, y pueden

ser los siguientes:

Aceptor Prod. Reducido Organismo

NO3- NO2

- N2Pseudomonas, Bacillus

NO3- NO2

Enterobacterias

SO42-S0SH2

Sulfatorreductoras

Fumarato Succinato Enterobacterias

CO2 CH4Arqueas metanogénicas

Fe3+ Fe2+ Shewanella, Geobacter

La fosforilación oxidativa, al igual que la fotofosforilación se caracteriza por:

• Ser un proceso vectorial (orientado en el espacio).

• Estar ligada a membrana.

• Implicar una secuencia de transportadores de electrones que se oxidan y

reducen de manera reversible.

• No contar con intermediarios covalentes ricos en energía, sino que la

transferencia de energía se realiza por medio de un gradiente electroquímico de

protones, el cual se puede emplear para la síntesis de ATP, el transporte de

nutrientes, el movimiento flagelar y la traslocación de proteínas fuera del

protoplasto.

Escherichia coli

Fotofosforilación

Fototrofía: Capacidad de captar energía de la luz.

Al igual que en la fosforilación oxidativa, se produce un gradiente electroquímico de

protones a ambos lados de una membrana, el cual a su vez alimenta ATP-sintasas.

Ecuación general de la fotosíntesis:

2 H2A + CO2 [CH2O] + H2O + 2 A

• En cianobacterias, algas y plantas verdes, H2A = H2O como agente reductor. Por lo

tanto, al oxidarse se genera O2 (fotosíntesis oxigénica).

• En bacterias anoxigénicas H2A puede ser H2, H2S, S2O3-, etc. (fotosíntesis anoxigénica).

Existen procariotas fotótrofos que captan la energía de la luz, pero emplean materia

orgánica como fuente de carbono, por lo que se denominan fotoheterótrofos.

Bacteria purpúrea del azufre

Cianobacteria filamentosa

Componentes del aparato fotosintético

1. Fotosistemas: Catalizan la conversión de la energía de la luz en una forma útil de

energía. Están constituidos por un complejo antena (con pigmentos que captan la

luz) y un centro de reacción (con las clorofilas ó bacterioclorofilas fotoactivas). Los

centros de reacción suelen estar situados dentro de estructuras membranosas

(tilacoides en cianobacterias, cromatóforos en bacterias anoxigénicas purpúreas o en

la membrana plasmática en bacterias anoxigénicas verdes y heliobacterias).

2. Cadenas transportadoras de electrones: Situadas en la membrana y ligadas de

forma estrecha al centro de reacción, crean la fuerza protón-motriz.

Moléculas implicadas en el aparato fotosintético

Clorofilas y bacterioclorofilas: Pueden formar parte tanto de los pigmentos antena

como de los centros de reacción. Pueden llegar a unas 300 en cada uno de estos

sistemas; aunque en el centro de reacción son mucho menos abundantes. Típicamente

son cuatro moléculas, de las cuales dos están asociadas a proteínas, para actuar como

“trampas” para los cuantos de luz.

Carotenoides: Forman parte del complejo antena, protegen contra los efectos

potencialmente perjudiciales derivados de la interacción entre la luz y el oxígeno, y

pueden funcionar como pigmentos antena captadores de luz (aunque son menos

eficientes).

Ficobiliproteínas: Se encuentran en cianobacterias, organizadas en ficobilisomas,

dispuestos en la superficie de los tilacoides. Las principales son ficocianina,

ficoeritrina y aloficocianina, y constituyen el complejo antena de las cianobacterias.

Feofitinas y bacteriofeofitinas: Similares a las clorofilas, pero no están queladas

con Mg++. Actúan como aceptores inmediatos del electrón que pierde cada clorofila

del centro de reacción.

Otros componentes: En el mismo centro de reacción se encuentran los primeros

componentes de la cadena transportadora de electrones fotosintética: las quinonas

especiales acomplejadas con Fe. Por lo demás, estas cadenas contienen moléculas

parecidas a las involucradas en las de la fosforilación oxidativa (quinonas,

citocromos, etc).

Tipos de Fotofosforilación

Existen dos tipos de fotofosforilación:

Fotofosforilación cíclica (FFC): No existe aporte de un agente reductor ni oxidante externo,

su única función es generar ATP, y no se originan equivalentes de reducción (NADPH), por

lo que no hay fijación de CO2.

Fotofosforilación acíclica (FFA): Un donador exógeno de electrones (H2A) servirá para que,

por acción de la luz, se produzcan equivalentes de reducción (NADPH ó NADH), que a su

vez se emplearán para la reducción de CO2 hasta materia orgánica.

Bacterias que presentan fotofosforilación acíclica anoxigénica:

Son aquéllas en las que el donador exógeno de electrones para poder generar poder

reductor es siempre una molécula diferente del agua, entre ellas están:

Bacterias purpúreas (o rojas): Recurren como donantes exógenos de electrones a

compuestos reducidos de azufre inorgánico.

Bacterias verdes del azufre: Usan también compuestos reducidos de azufre e hidrógeno

molecular, con la diferencia de que estos sirven para regenerar la bacterioclorofila, gracias

a que el primer aceptor estable de electrones es una proteína de Fe-S lo suficientemente

electronegativa.

Heliobacterias: Al igual que las bacterias verdes, su primer aceptor estable de

electrones es una proteína de Fe-S con bajo potencial redox . La regeneración de la

bacterioclorofila oxidada es mediante un aceptor exógeno orgánico (son fotoheterótrofas,

aparentemente incapaces de fijar CO2).