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

METABOLISMO MICROBIANO

FUNDACIÓN H.A BARCELÓ

TECNICATURA DE ANÁLISIS CLÍNICOS

MICROBIOLOGÍA 1° CUATRIMESTRE 2015

Lic. Maria Andrea Camilletti

1) Degradación y obtención de Energía (Catabolismo)

2) Biosíntesis (Anabolismo)

NUTRIENTES

CO2

Moléculas orgánicas

Autótrofos Obtienen el C para la

síntesis de componentes celulares por

reducción del CO2

CO2 (CH2O)n

Heterótrofos Compuesto orgánico se

puede degradar hasta CO2

Estas reacciones involucran oxidaciones que proveen energía y

poder reductor

Necesarios para

Fuentes de C

Poder reductor

E

(CH2O)nCO2 + + Poder

reductorE

1) Transporte activo, movimiento, división celular2) Biosíntesis

ENERGÍA

Luz Ruptura de uniones químicas

Fototrofos Fotosíntesis

anoxigénica

Fotosíntesis oxigénica

Quimiotrofos Reacciones REDOX

a) Puede ser oxidación de un

comp. inorgánico

(Quimiolitotrofos)

b) U Orgánico

(Quimioorganotrofos)

Necesaria para

Fuentes

REPASAMOSALGUNOS

CONCEPTOS DE QUÍMICA

Regla de “LOPE REGA” La Oxidación Pierde Electrones, la Reducción Gana

Dador e-

Aceptor e-

Dador oxidado

Aceptor reducido

REDUCCIÓN

OXIDACIÓN

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. EG° < 0 Reacción exergónica, libera EG° > 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

a) Moléculas de clorofila del fotosistema I (P700) son excitadas por la luz y emiten e-

b) P700 P700* (oxidada) + e-

c) Estos e- son captados por NADP+ (se reduce)

a)

b)

c)

Fotofosforilación no cíclica – Fuerza protón Motriz – Síntesis de ATP

Fotofosforilación Cíclica –Fuerza Protón Motriz – Síntesis de ATP

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.

Simultáneamente

e)

d)

Fotofosforilación no cíclica – Fuerza protón Motriz – Síntesis de ATP

Fotofosforilación Cíclica –Fuerza Protón Motriz – Síntesis de ATP

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.

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

Fotosíntesis: Fase oscura

Fotótrofos: Fotosíntesis anoxigénica No se forma oxígeno en la fotosíntesis realizada por

estas bacterias. Ej: Bacterias púrpuras del azufre

H2S + CO2

(CH2O)n + S°

(CH2O)n + H2SO4S° + CO2

Este tipo de bacterias fotosintéticas, carecen del fotosistema II

Producen ATP sólo por fotofosforilación cíclica

Usan como dadores de electrones H2, H2S, S°

Fotosíntesis Oxigénica Fotosíntesis anoxigénica

e-

H2S

S°

SO42-

CO2

(CH2O)n

e-

ATP

ADPhv

H2O

½ O2

CO2

(CH2O)n

e-

ATP

ADPhv

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-

NAD+ / NADHNADP+ / NADPH

Coenzimas, NO son consumidas durante la reacción, hay reciclaje de las mismas

En rxnes CATABÓLICASCuando actúan como aceptor de e-, se reducen:NADP+ NADPH

En rxnes ANABÓLICASSon 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.

Metabolismo Quimiolitotrofo

Compuesto inorgánico

(H2S, H2, NH3)

Fuerza motrizDe H+

O2

Flujo de e-

NADHNADPH

Biosíntesis

Flujo de Carbono

CO2

ATP

Fuente de energía (dador

de e-)

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:

1. Bacterias que oxidan H2

2. Bacterias que oxidan compuestos reducidos de S3. Bacterias que oxidan Fe2+

4. Bacterias Nitrosificantes (NH3 NO2-)

5. Bacterias Nitrificantes (NO2- NO3

- )

Metabolismo Quimioorganotrofo

Compuesto orgánico

Fuerza motrizDe H+

O2

Flujo de e-

NO3-

SO42-

S°

Aceptores orgánicos de e-

Flujo de Carbono CO

2

ATP

Respiración Aeróbica

Respiración Anaeróbica

Biosíntesis

Vías catabólicas generadoras de ATP en bacterias quimioorganotrofas y quimiolitotrofas

Quimioorganotrofas

Quimiolitotrofas

Compuestos químicos orgánicos

Compuestos químicos inorgánicos reducidos

Compuestos inorgánicos

RESPIRACIÓN

ADP

ATP

Compuestos inorgánicos

Metabolitos orgánicos

RESPIRACIÓN

FERMENTACIÓN

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

Fermentación Proceso de óxido-reducción

entre diferentes compuestos orgánicos derivados del mismo sustrato fermentable

No requiere O2

Respiración

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:

a) Si es el aceptor final de e- es O2 Respiración Aeróbica

b) Si el aceptor final de e- es otro comp. inorgánico como nitrato, sulfato, carbonato o Fe (III) Respiración Anaeróbica

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

RespiraciónFermentación

Formación de piruvato

Ocurre en fermentación y en respiración

Formación del Piruvato

Glucosa PiruvatoProceso

anaeróbico

Via Glucolíticaó de

Embden-Meyerhof-Parnas

Via del Fosfogluconato

ó de Vía de los fosfatos

de pentosas

Via del ácido 2-ceto-3desoxi-6-fosfoglucónico ó

deEntner Doudoroff

Obtención de ATP por fosforilación a nivel del sustrato

Via Glucolítica ó de Embden-Meyerhof-Parnas (EMP)

Via del Fosfogluconato ó de Vía de los fosfatos de pentosas

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

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

a) 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

I. Formación del piruvato

II. Ciclo de Krebs

III.Cadena respiratoria

(Fosforilación oxidativa)

Obtención de ATP por fosforilación a nivel del sustrato

Via Glucolítica ó de Embden-Meyerhof-Parnas (EMP)

Ciclo de Krebs

Cadena Respiratoria – Fosforilación oxidativa

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

Formación de ATP asociado a un proceso REDOX

Proceso complejo que permite obtener > Energía

Requiero de:

Dador e- Aceptor e- Cadena de transporte de

e-Ej: O2 (aerobios)

NO3-; SO3

-; SO4

2-

(aerobios)

Ej: Compuesto orgánico o inorgánico reducido

RESUMIENDO

CATEGORÍAS NUTRICIONALES DE LOS MICROORGANISMOS

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

AUTÓTROFOS HETERÓTROFOS

Fuente de Carbono CO2 Nutrientes orgánicos

CONSUMIDORES = HETERÓTROFOS

PRODUCTORES = AUTÓTROFOS

M.Org + O2

CO2 + H2ORespiración aerobia

CO2 + H2OM.Org+ O2

Fotosíntesisoxigénica

SO4 2-

S 2-

S °

S 2-

NO3 -

NO2 -; N2O;

N2Fe 3+

Fe 2+

M.O +

Respiración anaerobia

CO2

Fermentación

M.O (alta energía) M.O (baja energía)

FotosíntesisAnoxigénica

CO2

+

SH2

S °

S2O32-

H2

Comp. Org. reducidos

S °

SO42-

H2OComp. Org. Oxidados

M.O +

Litoautotrofia

CO2

M.O

SH2;

NH3; CH4; H2

Fe2+

SO42-; NO2-;

NO3-; CO2; H2OFe3+

CATEGORÍAS NUTRICIONALES DE LAS BACTERIAS

Categoría Fuentes de

Energía

Fuentes de

Electrones/

Hidrógeno

Fuente de Carbono

Bacterias representativa

s

Fotolitoautótrofos Luz H2O, H2S, S

CO2 Cianobacterias,Bacterias sulfúreas púrpuras y verdes

Fotoorganoheterótrofos

Luz Compuestos orgánicos

Compuestos Orgánicos

Bacterias púrpuras no sulfúreas

Quimiolitioautótrofos Oxidación de compuestos inorgánicos

CompuestosInorgánicos: H2, S, H2S,Fe (II), H3N, NO2-

CO2 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