Respiración anaerobia y microorganismos quimiolitótrofos en Biología

Respiración anaerobia

· En algunas bacterias, al final de la cadena de transporte electrónico, puede existir un aceptor diferente del oxígeno (respiración anaerobia). Los aceptores y sus respectivos productos reducidos (A -> AH2) son:

• NO3- > N2
• SO42- > SH2
• fumarato -> succinato
• CO2 > CH4
• Fe3+ -> Fe2+

· Con estos aceptores se obtiene menos energía que con el oxígeno, porque la pareja O2/H2O es más oxidante que las otras.García Castillo Miguel A., Garduño González Sharone, Jiménez Segura Andrea Natali, Loera Rubalcava Jeanette, Prieto Hernández Michelle y Reyes Colin Arturo M. Grupo: 604

Tipos de organismos según fuente de carbono

Fuente de carbono

Fuente de carbono CO2 Fuente de carbono orgánica

Autótrofos

Capaces de sintetizar sustancias esenciales para su metabolismo.

Heterótrofos

Incapaces de sintetizar sustancias esenciales para su metabolismo Necesita fuentes orgánicas.

Fuente de energía

Energía luminosa

• Fotolitótrofos: Emplean CO2 como fuente de carbono y energía luminosa,.
• Fotoorganótrofos: Emplean CO2 a través del entorno y energía luminosa. Ejemplos: Células verdes, algas cianoficeas, bacterias fotosintéticas. Ejemplos: bacterias verdes y púrpura no sulfuradas.

Energía química

• Quimiolitótrofos: Emplean CO2 como fuente de carbono y energía química. Ejemplos: Bacterias desnitrificantes, bacterias oxidantes del azufre y oxidantes del hierro, euglenas y bacterias sulfurosas.
• Quimiorganótrofos: Emplean fuente de carbono orgánica (CO2) a través del entorno y energía química. Ejemplos: animales superiores, micoorganismos, células vegetales no fotosintéticas, hongos y protozos.

Electrones

Fuente inorgánica para autótrofos. Fuente orgánica para heterótrofos.

Organismos quimiolitótrofos

Fuente de electrones

• El uso de nitratos, sulfatos y CO2 como aceptores finales de electrones y no como material a incorporar al metabolismo plástico se denomina metabolismo desasimilativo.
• El producto reducido se excreta al ambiente de la bacteria.

https://youtu.be/CjRNZ0sMMYE

Ciclo del azufre

802 ATMÓSFERA ANIMALES DMS Azufre orgánico reducido PLANTAS MICROORGANISMOS Utilización Descomposición V Desulfovibrio H2S SO4 L Oxidación Oxidación Sulfobacterias COMBUSTIÓN MINERÍA METEORIZACIÓN VOLCANSMO INDUSTRIA EROSIÓN Quimio / Foto S DEPÓSITOS SEDIMENTARIOS EVAPORITAS SULFUROS METÁLICOS CARBONES CICLO DEL AZUFRE MAG MAS

Tipos de quimiolitotrofos

• La capacidad de obtener energía por fosforilación oxidativa a partir de donadores inorgánicos de electrones sólo se presenta en ciertos grupos de procariotas.

G. Nitrosomona Grupo nitroso G. Nitrosolobus NH3 NO2 G. Nitrosospira Son bacterias nitrificantes G. Nitrobacter Grupo nitro G. Nitrospira NO,NO, G. NitrococusCada grupo fisiológico de quimiolitotrofos usa un tipo de donador inorgánico:

• bacterias de hidrógeno (H2)
• bacterias del hierro (Fe2+)
• bacterias del azufre (S2-, Sº).
• bacterias nitrificantes, con dos subtipos diferentes:
  • las oxidadoras de amoniaco (llamadas nitrosas)
  • las oxidadoras del nitrito (llamadas nítricas).

Ciclo del azufre: Proceso

1 ANAEROBIC AEROBIC Cyanobacteria Chemolthatrephs SOS- HS" Algae OXIC ANOXIC Purple bactéria Green sulfer bastaria Purple sulfur bacteria Green sulfur bacteria SO 2Sº. HS" H,S Sulfur reducers Sulladie reducers Sulfate-reducingiticteria Es un proceso donde el azufre (S) sufre una serie de conversiones en su estado de oxidación, permitiéndole a ciertos microrganismos obtener energía de sustancias inorgánicas

Bacterias oxidantes de hierro

HIERRO REDUCIDO única fuente de energía Obtención + PODER REDUCTOR Sustrato inorgánico Fe2+ transformándose Fe3+

• El uso desasimilativo de nitrato se llama desnitrificación, y ocurre por medio de una serie de fases donde el N va cambiando su estado de oxidación: NO3" > NO2 (nitrito) -> NO (óxido nítrico) -> N2O (óx. nitroso) -> N2 (dinitrógeno)

N2 / N2O, NO Fijación de N Desnitrificación Bacterias desnitrificantes Deposición física de N Residuos orgánicos Bacterias simbióticas fijadoras de N Asimilación NO3 Descomponedores Bacterias nitrificantes Amonificación NH4+ NO2 Nitrificación Bacterias de vida libre fijadoras de N Minerales de arcilla Lixiviación

• Sólo las bacterias sulfatorredutoras usan el sulfato como aceptor de electrones
• Por una ruta especial en la que el sulfato primero tiene que activarse con ATP formando la adenosina-fosfo-sulfato ( APS).
• La mayoría son quimiorganotrofas, pero algunas quimiolitotrofas pueden usar H2 donador de electrones.

Bacterias metanogénicas

• Las arqueobacterias metanogénicas son los únicos seres vivos capaces de obtener energía acoplando la oxidación del hidrógeno molecular con el uso de CO2 como aceptor de electrones Actúan en estas condiciones como quimiolitotro

4. Bacterias metanogénicas

H2, CO2 Ácido acético (Acetato) Metanogénicas: Bacterias metanogénicas reductoras (autótrofos) CO, CO, CH Metanogénicas: Bacterias metanogénicas acetogénicas 6/7/2014

Quimiosíntesis

https://youtu.be/vyrH4BNvIJk

Las bacterias quimiosintéticas

• No necesitan nutrientes orgánicos porque utilizan dióxido de carbono para producir sus nutrientes
• Obtienen la energía de la oxidación de compuestos inorgánicos como hidrógeno molecular, amoníaco, nitrito, tiosulfato, etc. Los electrones resultantes entran en la cadena respiratoria con producción de ATP Y NADPH2

Ciclo del carbono

Atmosfera 750 (co.) 5,5 0,5 1 2113 Vegetacion 610 Combustibles fosiles y produccion de cemento 4.000 60 1,6 /60 90 92 Suelos 1.580 Rios 50 Superficie oceanica 1.020 Biota marina 3 40 6 4 Oceano profundo 38.100 Hữu cơ hòa tan <700 Sedimentos 150 Deposito en GtC Flujos en GdC/año Ciclo del carbono

Catabolismo de los lípidos

Ácido graso Glicerina Glicerina Ácido graso 3 Ácidos grasos Ácido graso Lípido

Catabolismo de los lípidos: Beta-oxidación de los ácidos grasos

Membrana externa Crestas mitocondriales Matriz mitocondrial Membrana interna CITOPLASMA MITOCONDRIA Glicerol Ácido graso ACIL-COA INSATURADO H2O FADH2 BETA-HIDROXIACIL-COA Dihidroxiacetona ACIL-COA ACIL-COA NADH+ CoA Carnitina BETA-CETOACIL-COA Glucólisis Ciclo de Krebs ACETIL-COA AC Lípidos saponificables Lipasa pancreática Glicerol Ácidos grasos Beta-oxidación de los ácidos grasos o hélice de Lynen ATP CoA

Glicerina

Glicerina quinasa ADP NAD Glicerina fosfato deshidro genasa NADH2 + ATP +2 Mg Glicerina- 3 fosfato Glicerina -3 fosfato - Fosfato de dihidro acetona Todos los compuestos de esta reacción entran a la vía glucolítica. + + +

Oxidación de los ácidos grasos

Acido Graso activado (n carbonos) FAD (1) FADH2 Acido Graso activado, con insaturación a-B H2O (2) a- Hidroxiácido, activado NAD+ (3) NADH + H+ a- Cetoácido, activado -CoASH (4) Acido Graso activado + Acetil CoA (n-2 carbonos) Acetil CoA Acetil CoA Acetil CoA Acetil CoA Acetil CoA Acetil CoA Acetil CoA

Catabolismo de proteínas

Las proteínas son demasiado grandes para atravesar las membranas Los microorganismos excretan proteasas que hidrolizan las proteínas exógenas a péptidos. Proteasas Peptidasas Proteínas- Péptidos ------- > Aminoácidos · Los esqueletos carbonados de los aminoácidos entran en el ciclo ATC para sufrir una mayor oxidación vía acetil CoA, ácido cetoglutárico, ácido succínico, ácido fumárico o ácido oxaloacético

Proteína

Amina group NH2 H-C-COOH Ř Fi group Acidic carboxyl group Aminoácido Proteína aa aa aa aa aa aa= aminoácidos cadena de aminoácidos H grupo amino H O H c C grupo carboxilo 0 R aminoácido N H aa

Catabolismo de los aminoácidos

Aminoácido NH3 Esqueleto carbonado CO2 + H2O Glucosa Acetil-CoA Cuerpos cetónicos Urea El grupo amino se descarta y se incorpora en la urea para su eliminación. El esqueleto carbonado remanente (a-cetoácido) puede degradarse a CO2 y agua, o convertirse en glucosa, Acetil-CoA o cuerpos cetónicos

Transdesaminación

TRANSAMINACION DESAMINACION OXIDATIVA Aminoácido a-cetoglutarato NADH + H+ + NH4+ GDH Transaminasa NAD+ a-cetoácido Glutamato 0 0 coo COO 1 1 CH2 CH2 - 1 R CH2 + CH2 1 1 1 H-C-NH3 H-C-NH3 C=0 COO COO 0 COO 8 Glutamate a-Keto acid œ-Ketoglutarate @-Amino acid R TI + C=0 - COO

Desaminación oxidativa del glutamato

COO COO H3N- C-H - + NAD(P)+ NAD(P)H + H+ I C=0 I CH2 I + H20 CH2 1 + NH CH2 Glutamato deshidrogenasa CH2 1 COO- (+) ADP y GDP (-) ATP y GTP COO- a-cetoglutarato Glutamato (matriz mitocondrial) Degradación y síntesis de Glutamato 1 -Fosfoenolpiruvato Alanina Glicina Treonina Cisteína Serina Triptófano Piruvato Glucosa Acetil-CoA Aspartato Asparagina -Oxalacetato Citrato Triptófano Tirosina Fenilalanina Treonina Isoleucina Lisina Leucina Malato Clave: Glucogénico Cetogénico Glucogénico y cetogénico Isocitrato Arginina Prolina Histidina Glutamina 1 Fumarato a-Cetoglutarato Glutamato Tirosina Fenilalanina Aspartato Succinato Succinil-COA < Treonina Metionina Isoleucina Valina

Rutas metabólicas de proteínas, polisacáridos y lípidos

Proteínas Polisacáridos Lípidos Aminoácidos Monosacáridos Ácidos grasos y glicerina Ácido pirúvico Restos catoácidos Acetil CoA CICLO DE KREBS Transporte de electrones Fosforilación oxidativa O2-+ NH3 H2O CO2

Rutas de otros compuestos en la respiración aeróbica

Almidón Azúcares complejos Glucosa 6C Glicerol 3C Gliceraldehído 3 P 3C Ácido Láctico 3C Aminoácidos 3C Ácido pirúvico 3C Ácidos Grasos Aminoácidos 2C Alcohol 2C Acetil CoA 2C Otros aminoácidos de más de 3C Ciclo de los ácidos tricarboxílicos

Biosíntesis (Anabolismo)

Intermediarios de bajo peso molecular Ribosa carbamil fosfato Cetoácidos Fosfopiruvato, Malato Acetato, Malonato Unidades estructurales Mono - nucleóticos Aminoácidos Azúcares sencillos Ácidos grasos, Glicerina Macromoléculas (Alto peso molecular) Ácidos Nucléicos Proteínas Poli - sacáridos Lípidos Asociaciones supra - moleculares Complejos enzimáticos, Ribosomas, Sistemas contráctiles Organelas Núcleo, mitocondria, cloroplasto, etc.

Relación entre las transformaciones catabólicas y anabólicas

Lípidos Polisacáridos Proteínas FASE I Acidos grasos Glicerina Hexosas Pentosas Aminoácidos Gliceraldehido 3-fosfato FASE II Fosfoenolpiruvato . A.Piruvico Acetil CoA A. Oxaloacético Acido Citrico Acido Isocítrico Ciclo de los ácidos tricarboxílicos Acido Málico Acido [] - cetoglutarico Acido Fumárico FASE III Acido Succínico Succinil CoA CO. GLUCÓLISIS Y con oxígeno sin oxígeno RESPIRACIÓN CELULAR FERMENTACIÓN Oxidación del piruvato Ciclo del ác. cítrico cadena respiratoria 2 ATP 36 ATP @ www.biologia.edu.ar FOTOSÍNTESIS HA glucosa 7 À OH