METABOLISMO Y ANABOLISMO

METABOLISMO
MICROBIANO
Crecimiento
Bacteriano
METABOLISMO MICROBIANO
METABOLISMO MICROBIANO
No puede haber vida sin una fuente de energía
Consiste de un gran número de reacciones químicas destinadas a
transformar las moléculas nutritivas en elementos que posteriormente
serán utilizados para la síntesis de los componentes estructurales; como
pueden ser las proteínas.
Funciones específicas a saber:
• Obtener energía química del entorno, almacenarla, para utilizar luego en
diferentes funciones celulares.
•
Convertir los nutrientes exógenos en unidades precursoras de los
componentes macromoleculares de la célula bacteriana.
•
Formar y degradar moléculas necesarias para funciones
celulares específicas. Ejemplos: movilidad, transporte de
nutrientes.
La transformación de los nutrientes en 1 compuesto útil para la
subsistencia de un organismo se lleva a cabo por medio de las
reacciones químicas que realizan unas proteínas conocidas como
Enzimas
La energía liberada en las reacciones catabólicas se usa para
fosforilar ADP, generando ATP. La energía almacenada en el ATP se
utiliza en la mayoría de los trabajos celulares. Por lo tanto, el ATP
acopla los procesos productores de energía de la célula a los
consumidores de energía.
La función química esencial del metabolismo productor de energía es la de
sintetizar moléculas orgánicas que poseen un alto nivel de energía potencial
en forma de enlaces ricos en energía, la que luego es acoplada por medio de
reacciones a las vías anabólicas
FUNCIONES DEL METABOLISMO MICROBIANO
-Permite conocer el modo de vida y el hábitat de diferentes especies
bacterianas. El ser humano actuando como hospedero por ejemplo, ofrece
una variedad de nichos ecológicos que se diferencian entre sí por aspectos
físicos y químicos (temperatura, concentración de O2, pH, presión osmótica,
etc.) en los cuales pueden crecer y multiplicarse distintas especies
bacterianas, de acuerdo a sus requerimientos nutricionales.
-Permite formular medios de cultivo para el aislamiento e identificación de
los patógenos participantes.
-Desde el punto de vista terapéutico nos permite conocer y entender el
modo de acción de algunos antimicrobianos que bloquean una vía
metabólica o la síntesis de alguna macromolécula esencial para la bacteria.
Tipos de metabolismo microbiano
I.- Según la fuente de carbono que utilizan.
Las bacterias se pueden dividir de acuerdo a la
forma en la que el organismo obtiene o utiliza
el carbono para la construcción de la masa
celular.
II.- Según el punto de vista Biosintético
La forma en la que organismo obtiene
los equivalentes reductores para la
conservación de energía o en
las reacciones biosintéticas:
• Autótrofos
• Heterótrofos
• Mixotrofos
• Litotrofo
• Organotrofo
III.- Según la fuente de energía
Según la forma en la que el organismo
obtiene la energía para vivir y crecer
• Quimiotrofos
• Fototrofos
Tipos de metabolismo microbiano
• Quimiolitoautótrofos
En la práctica, estos términos se
combinan casi libremente
• Fotolitoautótrofos
• Quimiolitoheterótrofos
• Quimioorganoheterótrofos
• Fotoorganotrofos
I. Según la fuente de carbono que utilizan
•Autótrofo: crecen sintetizando sus materiales a partir de sustancias
inorgánicas sencillas. El carbono se obtiene del dióxido de carbono (CO2).
•Heterótrofo: su fuente de carbono es orgánica. El carbono se obtiene de
compuestos orgánicos. En este último grupo se encuentran todas las
bacterias de interés médico.
•Mixótrofo: son aquellas bacterias con metabolismo energético litotrofo
(obtienen energía de compuestos inorgánicos), pero requieren sustancias
orgánicas como nutrientes para su metabolismo biosintético. El carbono se
obtiene tanto de compuestos orgánicos como fijando el dióxido de carbono.
II. Según el punto de vista biosintético
La forma en la que organismo obtiene los equivalentes reductores para
la conservación de energía o en las reacciones biosintéticas:
•Litotrofo: son aquellas que sólo requieren sustancias inorgánicas
sencillas Los equivalentes reductores se obtienen de compuestos
inorgánicos. (SH2 SO, NH3, NO - , Fe, etc.).
•Organotrofo: requieren compuestos orgánicos. Los equivalentes
reductores se obtienen de compuestos orgánicos. (hidratos de carbono,
hidrocarburos, lípidos, proteínas, alcoholes).
III. Según la fuente de energía:
Según la forma en la que el organismo obtiene la energía para vivir
y crecer:
•Quimiotrofo:
externos.
La energía se obtiene de compuestos químicos
• Fototrofo: La energía se obtiene de la luz
En la práctica, estos términos se combinan casi libremente
•Quimiolitoautótrofos: obtienen energía de la oxidación de compuestos
inorgánicos y el carbono de la fijación del dióxido de carbono.
Ejemplos: bacterias nitrificantes, bacterias oxidantes del azufre, bacterias
oxidantes del hierro, bacterias oxidantes del hidrógeno.
•Fotolitoautótrofos: obtienen energía de la luz y el carbono de la fijación
del dióxido de carbono, usando compuestos inorgánicos como
equivalentes reductores.
Ejemplos: Cianobacterias (agua como equivalente reductor),
Chlorobiaceae, Chromaticaceae (sulfuro de hidrógeno), Chloroflexus
(hidrógeno)
En la práctica, estos términos se combinan casi libremente
•Quimiolitoheterótrofos : obtienen energía de la oxidación de compuestos
inorgánicos, pero no pueden fijar el dióxido de carbono.
Ejemplos: algunos Nitrobacter spp.
•Quimioorganoheterótrofos: obtienen energía, carbono y equivalentes
reductores para las reacciones biosintéticas de compuestos orgánicos.
Ejemplos: la mayoría de las bacterias, como Escherichia coli, Bacillus spp.,
Actinobacteria. Las bacterias patógenas que viven a expensas de la materia
orgánica son quimioorganótrofas.
•Fotoorganotrofos: obtienen energía de la luz y el carbono y los equivalentes
reductores para las reacciones biosintéticas de compuestos orgánicos. Algunas
especies son terminantemente heterótrofas, pero muchas otras pueden
también fijar el dióxido de carbono y son mixótrofas.
Ejemplos:
Rhodobacter,
Rhodopseudomonas,
Rhodospirillum,
Rhodomicrobium, Rhodocyclus, Heliobacterium.
Tipos de metabolismo microbiano
Tipos de metabolismo microbiano
Tipos de metabolismo microbiano
SUMINISTRO ENERGÉTICO:
Las células bacterianas, poseen una gran variedad de sustancias como
fuente de energía.
En los seres vivos, la utilización de la energía potencial contenida en los
nutrientes se produce por reacciones de oxido-reducción
En las bacterias de interés
médico los sistemas de oxidoreducción que transforman la
energía
química
de
los
nutrientes en una forma
biológicamente útil, incluyen la
Fermentación
Respiración.
y
la
RESPIRACIÓN
Es un proceso metabólico productor de energía en el que los donadores de electrones son
compuestos orgánicos y el aceptor final de electrones es el oxígeno molecular.
Una característica distintiva de la mayoría de los procesos respiratorios es la
presencia en la célula de un equipo de enzimas transportadoras, que
constituyen la cadena respiratoria de transporte de electrones.
La energía que se libera durante la oxidación completa de un compuesto
orgánico (respiración), es mucho mayor que la que procede su
fermentación.
El rendimiento total de ATP por mol de sustrato respirado es de 38 ATP;
mientras que en la fermentación, es de 2 ATP. Muchos de los
microorganismos que realizan respiración son aerobios estrictos, mientras
otros ante condiciones de anaerobiosis pueden obtener la energía que
necesitan, por fermentación o respiración anaeróbica. En este último caso
los microorganismos son anaerobios facultativos.
1
Carbono 6 - P
2
3
RXs irreversible.
Enzima reguladora de la glucólisis
4
La fructosa 1,6 fosfato se rompe en 2 moléculas.
Desde aquí la glucólisis es dual.
5
6
Se Incorpora
un Pi.
Rx de Oxido -reducción
7
Hidrólisis de un Pi, lo usa el ADP para
convertirse en ATP
8
9
10
Hidrólisis de un Pi del fosfoenolpiruvato, lo
usa el ADP para convertirse en ATP, y como
producto se forma piruvato
CICLO DE KREBS
ANAEROBIOSIS: Respiración Anaeróbica
CICLO DE CORY
CICLO
DE
KREBS
CADENA RESPIRATORIA Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Repaso……..
Macronutrientes
Micronutrientes
ATP
Moneda de
energía.
C, O, H,N,S,P.
K, Ca, Mg, Fe
Zn, Co, Mo, Ni,
Cu
Repaso……..
Es una ruta
metabólica que
cataboliza glucosa a pi
ruvato usando una
serie de enzimas
distintos a
la glucólisis y a la ruta
de la pentosa fosfato.
La inmensa mayoría
de las bacterias
utilizan la glucólisis y
la vía pentosa fosfato,
siendo esta vía una
vía secundaria
Repaso……..
En un sentido amplio los microorganismos utilizan como fuente de energía una de
las 3 siguientes:
Fototrofos
Captan
energía
de la
Luz
Solar
Quimioorganotrofos
Quimiolitrofos
Oxidan moléculas
orgánicas
para
obtener energía.
Emplean
nutrientes
inorgánicos
como fuente
de energía.
Repaso……..
Metabolismo
CATABOLISMO
Moléculas grandes y complejas
son descompuestas en moléculas
más pequeñas y sencillas,
liberándose energía en el
proceso.
Parte de esta energía es atrapada
y esta disponible para realizar un
trabajo (puede utilizarse en el
anabolismo).
ANABOLISMO
Es la síntesis de moléculas
complejas a partir de
moléculas más sencillas
con consumo de energía.
Repaso……..
Metabolismo
CATABOLISMO
• PROTEINAS
Aminoácidos.
• POLISACARIDOS
• LÍPIDOS
• Acetil CoA
• Piruvato
Di, Mono sacáridos.
Ácidos grasos. Glicerol
EL CICLO OPERA EN CONDICIONES DE
AEROBIOSIS Y ES RESPONSABLE DE LA
LIBERACION DE ENERGÍA, PRODUCTO DE LA
OXIDACIÓN DE NADH Y FADH2 POR LA
CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES.
SIENDO EL OXIGENO MOLECULA ACEPTOR
FINAL DE ELECTRONES.
Productos intermediarios
para el ciclo de Krebs.
Las moléculas son oxidadas
completamente a CO2 con
producción de:
ATP
NADH
FADH2
EL ATP SE FORMA COMO CONSECUENCIA DE LA ACTIVIDAD DE LA
CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES.
Eucariotas: Mitocondria.
Procariotas: Membrana celular.
OBTENCION DE ENERGÍA
FERMENTACIÓN
El sustrato energético es oxidado
y degradado sin la participación
de una aceptor externo de
electrones.
Condición: Anaerobiosis.
Compuestos intermediarios son
aceptor de e-. Dichas moléculas
sirven tanto como dadores
como aceptores de electrones.
Ejm: Piruvato
RESPIRACIÓN
El metabolismo productor de
energía puede utilizar aceptores
exógenos de e- .
AEROBIA
Aceptor final
de e- es el
oxígeno.
ANAEROBIA
Aceptor final
de eson
productos
inorgánicos.
Fe +3, NO3,
SO4, CO2.
OBTENCION DE ENERGÍA
PIRUVATO
Los e- van a la
cadena de
transporte de e-.
LA CARACTERISTICA ÚNICA DEL METABOLISMO MICROBIANO ES LA
DIVERSIDAD DE FUENTES A PARTIR DE LAS CUALES SE GENERAN ATP,
NADH…
La mayoría de las bacterias tienen vías glucolíticas y la vía de las
pentosas fosfatos.
Vía Entner-Doudoroff
Agrobacterium: es
un
género de bacterias
gram negativas que
causan tumores en las
plantas.
Rhizobium:
es un
género de bacterias
gram-negativas
del
suelo
que
fijan
nitrógeno atmosférico.
Bacilos cortos.
Pseudomona: es una especie
de bacterias Gram-negativas,
aeróbicas, con motilidad unipolar.
Es un patógeno oportunista en
humanos y también en plantas.
Enterococcus faecalis. Gram +
RESPIRACIÓN ANAEROBICA.
Los electrones derivados de los azúcares y de otras moléculas
orgánicas suelen ser cedidos a aceptores de electrones orgánicos
endógenos (fermentación), o bien, al O 2 molecular mediante una
cadena transportadora de electrones (respiración aerobia).
Sin embargo, numerosas bacterias tienen cadenas transportadoras
de electrones que pueden operar con aceptores de electrones
exógenos diferentes al O 2 .
Este proceso se denomina Respiración Anaerobia. Los principales
aceptores de electrones son el nitrato, el sulfato y el CO2 , pero los
metales y algunas moléculas orgánicas también pueden ser
reducidos.
RESPIRACIÓN ANAEROBICA.
El proceso mediante el cual algunas bacterias utilizan nitrato como
aceptor final de electrones se denomina a menudo reducción
Desasimilatoria de nitrato.
El nitrato puede ser reducido a
nitrito por la nitrato reductasa, que sustituye a la citocromo oxidasa.
El nitrito formado también es muy tóxico. Por consiguiente,
normalmente el nitrato es reducido aún más hasta gas nitrógeno, un
proceso denominado Desnitrificación.
Existe una cantidad considerable de datos que indican que la
desnitrificación es un proceso de varios pasos en el que participan
cuatro enzimas: nitrato reductasa, nitrito reductasa, óxido nítrico
reductasa y óxido nitroso reductasa.
02
Además de Paracoccus,
la desnitrificación la
realizan
algunos
miembros
de
los géneros
Pseudomonas
y
Bacillus. Todos ellos
utilizan esta ruta
alternativa
a como
la
respiración
aerobia
normal
y
pueden
considerarse
anaerobios facultativos.
Si hay O2 , estas
bacterias utilizan la
respiración aerobia (el
O2 reprime la síntesis
de nitrato reductasa).
RESPIRACIÓN ANAEROBICA.
Dos tipos de nitrito reductasas bacterianas catalizan la formación de NO en las
bacterias. Uno contiene los citocromos c y d\ (p. ej., Paracoccus y Pseudomonas
aeruginosa), y el otro es una proteína con cobre (p. ej., Alcaligenes).
La nitrito reductasa parece tener una localización periplásmica en las bacterias
Gram negativas. La óxido nítrico reductasa cataliza la formación de óxido nitroso a
partir de NO, y forma un complejo con el citocromo be en la membrana.
Un ejemplo bien estudiado de Desnitrificación lo tenemos en la bacteria Gram
negativa del suelo Paracoccus denitrificans, que reduce nitrato a N2
anaeróbicamente. Su cadena de transporte de electrones contiene dos de las
enzimas ligadas a membrana (nitrato reductasa y oxido nítrico reductasa),
mientras que las otras dos necesarias para la desnitrificación son periplásmicas
(nitrito reductasa y óxido nitroso reductasa).
Las cuatro enzimas utilizan los electrones procedentes de las coenzimas Q y c para
reducir nitrato y generar FMP.
RESPIRACIÓN ANAEROBICA.
La Desnitrificación en suelo anaeróbico da lugar a la pérdida de nitrógeno
del suelo y afecta negativamente a la fertilidad del terreno.
Otros dos grupos importantes de bacterias que utilizan la respiración
anaerobia son anaerobios obligados. Los que usan el CO2 o el carbonato
como aceptor final de electrones reciben el nombre de metanógenos
debido a que reducen el CO2 a metano. El sulfato también puede actuar
como aceptor final en bacterias tales como Desulfovibrio. El sulfato es
reducido a sulfuro (S2 ~ o H2S). BACTERIAS SULFOREDUCTORAS.
La respiración anaerobia es muy prevalente en
suelos y sedimentos anóxicos.
Repaso……..
TRANSPORTE DE ELECTRONES. BOMBEO DE PROTONES.
Repaso……..
Flavoproteinas
(FMN)
Citocromo
Oxidasa
Citocromos
b, c1,c,a y a3
Repaso……..
Flavoproteinas
FERMENTACION
 LIBERA ENERGIA A PARTIR DE AZUCARES U OTRAS MOLECULAS
ORGANICAS, COMO AMINOACIDOS, PURINAS Y PIRIMIDINAS.
 NO NECESITA OXIGENO
 NO NECESITA UNA CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES NI UN
CICLO DE KREBS
 UTILIZA UNA MOLECULA ORGANICA COMO ACEPTOR FINAL DE
ELECTRONES.
 SE PRODUCEN PEQUEÑAS CANTIDADES DE ATP.
 DURANTE LA FERMENTACION LOS ELECTRONES SE TRANSFIEREN SE
TRANFIEREN JUNTO CON LOS PROTONES AL ACIDO PIRUVICO
FERMENTACIÓN
En
ausencia
de respiración aerobia
o anaerobia, el NADH
no es
oxidado
por
la
cadena
transportadora
de electrones.
Al
considerar
las
fermentaciones
microbianas
deben
tenerse en cuenta dos
aspectos unifícadores:
1)la NADH es oxidada a
NAD + ,
2) El aceptor de
electrones es piruvato o
un derivado de éste.
FERMENTACIÓN
1.- Fermentación Alcohólica:
alcohol deshidrogenasa. PiruvatoEtanol.
2.-Fermentación ácido láctica:
Homoláctica:
piruvato – lactato:
lactato
deshidrogenasa
1
2
3
Heteroláctica:
piruvato – lactato:
FOSFOCETOLASA
ETANOL, Co2,.
3.- Fermentación ácido fórmica:
Piruvato – ácido fórmico – H2 y CO2
Fórmico hidrogenoliasa.
3.-1.- Fermentación ácido mixta.
Productos: etanol, a.acético, láctico,
succínico, fórmico.
3.2.- Fermentación Butanodiólica.
4.- Fermentación Butírica
5.- Fermentación Propionica
3.1
5
4
3.2
Biosíntesis de aminoácidos y proteínas.
Los aminoácidos son indispensables para la biosíntesis de
proteínas.
Algunos microorganismos pueden sintetizar directa o
indirectamente todos los aminoácidos a partir de los productos
intermediarios del metabolismo de carbohidratos.
Otra fuente importante de precursores (productos intermedios)
de la síntesis de aminoácidos es el ciclo de Krebs.
Los aminoácidos se forman a partir de 2 reacciones que se
denominan:
Aminación y Transaminación.
Aminación: el agregado de un grupo amino al ácido pirúvico o a
un ácido orgánico del ciclo de Krebs apropiado convierte el
ácido en un aminoácido.
Transaminación: Si el grupo amino proviene de una aminoácido
preexistente.
La mayoría de los aminoácidos presentes en el interior celular
están destinados a ser unidades fundamentales para la síntesis
de proteínas.
A, G
C,T,U