Metabolismo microbiano: catabolismo, anabolismo y fuentes de energía

Metabolismo Microbiano

METABOLISMO MICROBIANOMetabolismo: Catabolismo + Anabolismo Residuos (productos de fermentación, aceptores de electrones reducidos ... ) Nutrientes Energía (para biosíntesis) Anabolismo (biosíntesis) Energía (transporte, movimiento ... ) Macromoléculas y otros componentes celulares Catabolismo Compuestos químicosFuentes de energía Compuestos químicos Luz Quimiotrofia Fototrofia Compuestos orgánicos Compuestos inorgánicos (H2, H2S, Fe2+, NH4+, etc.) (glucosa, acetato, etc.) Quimioorganótrofos Quimiolitotrofos Fotótrofos (glucosa + O2-+ CO2 + H2O) (H2+02-+ H2O) (luz) 1 ATP ATP ATP

Figura 3.5 Opciones metabólicas de conservación de energía. Los tres tipos de metabolismo de conservación de energía se encuentran en el mundo microbiano.

Tipos de Organismos según su Metabolismo

Quimiorganótrofos: Oxidación compuesto orgánico Aerobios - Anaerobios - Facultativos Quimiolitótrofos: Oxidación compuestos inorgánicos Bacteria y Archaea. Fototrofos: No necesitan compuestos químicos como fuente de Energía. Presentan pigmentos para aprovechar la e. lumínica.Fototrofía Oxigénica: Produce oxígeno. Synechococcus aeruginosas Chlorella vulgarisAnoxigénica · No genera oxígeno. · Dominio Bacteria · Bacterias rojas y verdes. Autótrofo: CO2: Compuesto inorgánico (Generalmente CO2) Heterótrofo: CO2 - Compuesto orgánico Chromatium.

Factores del Tipo Trófico

Factor Tipo trófico Fuente de energía Fototrofia Energía solar Quimiotrofia Energía de reacciones químicas (oxidoreducciones) Fuente de electrones Litotrofia Compuestos inorgánicos Organotrofia Compuestos orgánicos Fuente de carbono Autotrofia CO2 única fuente de carbono Heterotrofia No pueden usar CO2 como única fuente de carbono

https://www.youtube.com/watch?v=ptMSiiDtRLw&list=PL9Ob5AjwGFnPoSNPhfMQA-xpkhXtutV0l&index=1Tipo trófico Fotolitoautotrofos Quimioorganoheterotrofos Fototrofo / Quimiotrofo Litotrofo / Organotrofo Autotrofo / Heterotrofo .. https://www.youtube.com/watch?v=ptMSiiDtRLw&list=PL9Ob5AjwGFnPoSNPhfMQA-xpkhXtutV0l&index=1

Energía Libre en Reacciones

Energía: Capacidad para realizar un trabajo. Si bien en cualquier reacción energética se pierde algo de ener- gía en forma de calor, en microbiología estamos interesados en la energía libre (cuyo símbolo es G), que es la energía disponi- ble para realizar trabajo. El cambio en la energía libre durante una reacción se expresa como AG"', donde el símbolo A se lee como «incremento». Los superindices «0» y «prima» indican que el valor de la energía libre se refiere a condiciones estándar, es decir, pH 7, 25 ℃, 1 atmósfera de presión, y todos los reacti- vos y productos a concentración molar.A+B-C+D Si AG"' para esta reacción es negativo, la reacción procederá con liberación de energía libre, energía que la célula puede con- servar como ATP. Estas reacciones que producen energía se lla- man exergonicas. Sin embargo, si AG"'es positivo, la reacción requiere energía para llevarse a cabo. Estas reacciones se lla- man endergónicas. Por tanto, las reacciones exergonicas libe- ran energía, y las endergónicas requieren energía.

Energía Libre de Formación de Compuestos

Tabla 3.3 Energía libre de formación de algunos compuestos de interés biológico Compuesto Energía libre de formación (G,º)a Agua (H2O) -237,2 Dióxido de carbono (CO2) -394,4 Hidrógeno gaseoso (H2) 0 Oxigeno gaseoso (O2) 0 Amonio (NH4) -79,4 Óxido nitroso (N2O) +104,2 Acetato (C2H3O2) -369,4 Glucosa (CBH120a) -917,3 Metano (CH)) -50,8 Metanol (CH3OH) -175,4 "Los valores de energia libre de formación se dan en kj/mol. Véase en la Tabla A1.1 del Apéndice 1 una lista más completa de las energías libres de formación. A+B-C+D AG" = G [C + D] - Go[A + B] AG = AG" + RT In K Con ayuda de la Tabla 3.3, calcule AGº, para la reacción CH4 + 102 -> CH3OH.

Eo (V) - 0,50 F - 0,40 NAD+/ NADH 2 e- - 0,30 - 0,20 - 0,10 - 0,00 +0,10 +0,20 +0,30 +0,40 +0,50 +0,60 +0,70 1/2 O2/ H2O 2 e- F +0,80 +0,90 Tendencia a ceder electrones Tendencia a aceptar electrones

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Metabolismo Central

Metabolismo centralProductos de las reacciones de mantenimiento estructurales Unidades Macromoléculas Estructuras celulares Reacciones de mantenimiento Inclusiones Lípidos Ácidos grasos (~8) Lipopoli- sacáridos Pared ATP Flagelos Glucógeno Metabolitos precursores (12) Biosíntesis Azúcares (~25) Peptidoglicano Fimbrias Aminoácidos (~ 20) Proteínas Citosol Poder reductor Nucleótidos (~ 20) ARN Polirribosomas ADN Nucleoide Ej. E. coli

https://www.youtube.com/watch?v=ptMSiiDtRLw&list=PL9Ob5AjwGFnPoSNPhfMQA-xpkhXtutV0l&index=1 Glucosa Polimerización Ensamblaje

Vías del Metabolismo Central

Metabolismo central Glucosa ~P NADPH2 Glucosa 6-fosfato 6-fosfogluconolactona 6-fosfogluconato NADPH Fructosa 6-fosfato Pentosa 5-fosfato ~P Warburg-Dickens (WD) o vía de las Pentosas-fosfato Fructosa 1,6-difosfato Eritrosa 4-fosfato Triosa-3-fosfato FADH2 NADH2 Fumarato Succinato 1,3-difosfoglicerato P 3-fosfoglicerato Malato Succinil CoA NADH2 2-fosfoglicerato Ciclo de los ácidos tricarboxílicos o Ciclo de Krebs NADH2 Oxalacetato a-cetoglutarato Fosfoenolpirubato NADH2 NADPH2 ~P Piruvato Acetil-CoA Citrato Isocitrato

https://www.youtube.com/watch?v=ptMSiiDtRLw&list=PL9Ob5AjwGFnPoSNPhfMQA-xpkhXtutV0l&index=1 Embden-Meyerhoff-Parnas (EMP) -P

Integración del Metabolismo Central

Metabolismo central Azúcares Proteínas Lípidos Glucosa ATP Poder reductor Metabolitos precurosres Monómeros Piruvato Acetil-CoA Unidades estructurales Macromoléculas Estructuras celulares

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Metabolismo de Quimiorganótrofos Aerobios

Metabolismo de quimiorganótrofos aerobios Fuente de energía: Reacciones químicas Donador de electrones: Compuesto orgánico Metabolismo de microorganismos quimioorganotrofos que realizan respiración aerobia Receptor de electrones: O2

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Cadena de Transporte de Electrones y Quimio-ósmosis

+ H H + 4 Cytc. T I IV ATP sintasa NADH HO 0 NAD +H+ ATP ADP + H + Matriz P Succinato' Fumarato H,O membrana interna II7 IV H+ H Espacio intermembranal Ciclo del ácido cítrico membrana externaCitoplasma Transporte activo de NADH 2 NADH 6 NADH 2 FADH2 Glicólisis 2 Glucosa+Piruvico 2 Acetil- CoA Ciclo de Krebs Cadena de transpor- de electrones y quimio-osmosis +2 ATP -2 ATP +2 ATP +3+ ATP Por fosforilación a nivel de sustrato Usados para el transporte activo Por fosforilación a nivel de sustrato Por fosforilación quimio-osmótica 36 ATP

Metabolismo de Quimiorganótrofos Anaerobios

Metabolismo de quimiorganótrofos anaerobios Fuente de energía: Reacciones químicas Donador de electrones: Compuesto orgánico Metabolismo de microorganismos quimioorganotrofos que realizan respiración anaerobia Receptor de electrones: Oxígeno NO; otro compuesto

Comparación de Liberación de Energía

Quimioorganotrofo / respiración anaerobia Glucosa Piruvato Acetil-CoA Eo (V) - 0,50 NAD+/ NADH 2 e F- 0,40 - - 0,30 - - 0,20 - 0,10 - 0,00 +0,10 Menor liberación de energía - +0,20 +0 30 - +0,40 NO3/ NO2- 2 e +0 50 +0,60 +0,70 1/2 O2/ H2O 2 e +0,80 +0,90 Mayor liberación de energía

Respiración Anaerobia y Aerobia

Quimioorganotrofo / respiración anaerobia E0 (V) - 0,50 - 0,40 NAD+/ NADH 2 e- - 0,30 - 0,20 - 0,10 - 0,00 +0,10 +0,20 +0,30 +0,40 NO3/ NO2- 2 e- +0,50 +0,60 +0,70 1/2 O2/ H2O 2 e- +0,80 +0,90 Glucosa Piruvato Acetil-CoA Respiración anaerobia E. coli Respiración aerobia

Aceptores de Electrones en Respiración

Quimioorganotrofia + respiración Compuestos orgánicos Metabolismo central Fosforilación a nivel de substrato NADH2 ATPasa ATP Cadena de transporte de electrones (fuerza protón-motriz) Metabolitos precursores Aceptores de e. O2 e H2O Productos Respiración aerobia Fumarato Sº / SO 2- NO3 Fe3+ e e e e Succinato H2S NO2-/ N2O / NO / N2 Fe2+ Respiración anaerobia

Potencial Redox y Energía

Eo (V) - 0,50 - 0,40 NAD+/ NADH - 0,30 S/ H2S SO42-7 H2S - 0,20 - 0,10 Fumarato /succinato - 0,00 +0,10 Fe3+ /Fe2+ +0,20 +0,30 +0,40 NO3/ NO2 +0,50 +0,60 +0,70 1/2 O2/ H2O +0,80 +0,90 Mejor donador de electrones A mayor diferencia de potencial redox entre el donador y el aceptor de electrones mayor cantidad de energía se consigue. L Mejor aceptor de electrones

Fermentación y Respiración

Fermentación y respiración Fermentación: Forma de catabolismo anaerobio en la que un compuesto orgánico actúa como donador y aceptor de electrones. Respiración: Catabolismo aerobio o anaerobio en la que un donador de electrones es oxidado por O2 o un sustituto como aceptor final de electrones.

Metabolismo de Microorganismos Fermentadores

Fuente de energía: Donador de electrones: Reacciones químicas Compuesto orgánico Metabolismo de microorganismos quimioorganotrofos fermentadores · NO hay aceptor externo de electrones · NO requiere O2 (pero se puede realizar en presencia de O2). · El ciclo de Krebs está cortado · No hay cadena de transporte de electrones (salvo excepciones) · Se obtiene poco ATP

Visión General de la Fermentación

Fermentación: visión general Oxidación Reducción Substrato ATP Azúcares Aminoácidos Ácidos orgánicos Purinas Pirimidinas Metabolitos intermediarios NAD NADH2 Productos de fermentación

Tipos de Fermentación

1 NADH 1 Lactato Fermentación homoláctica Glucosa - 2 láctico + 2 ATP Microorganismos: Lactobacillus bulgaricus Streptococcus thermophilus Productos: yogur Fermentación alcohólica Glucosa - 2 etanol + 2 CO2 + 2 ATP Microorganismos: Saccharomyces cerevisiae Productos: vino, cerveza, pan 2 NADH Acetaldehido Etanol Piruvato CO21 NADH Lactato Piruvato CO2 NADH Acetaldehido Etanol CO2 CoA Oxalacetato 3 NADH Y Malato H2O 1 Fumarato NADH Acetoacetil-Coa Butiril-Coa CO2 NADH P CoA CoA Butaraldehido Butiril-P NADH NADH ADP ATP Isopropanol Butanol Butirato Piruvato CO2 5 6 Noco Acetoina NADH 2,3-butanodiol 1. Bacterias acidolácticas (Streptococcus, Lactobacillus, Lactococcus), Bacillus 2. Levaduras, Zymomonas 3. Bacterias acidopropiónicas (Propionibacterium) 4. Clostridium 5. Enterobacterias (Escherichia, Enterobacter, Salmonella, Proteus) 6. Enterobacter, Serratia, Bacillus Succinato 1 Propionato Acetil-CoA 4 P CoA NADH Acetil-P Acetaldehido ADP ATP F NADH Acetato Etanol a-acetolactato A. fórmico H2 CO2 2 Acetona CO2

Fermentaciones Bacterianas Comunes

Tabla 3.4 Fermentaciones bacterianas comunes y algunos de los organismos que las llevan a cabo Tipo Reacción Organismos Alcohólica Hexosaª -> 2 etanol + 2 CO2 Levadura, Zymomonas Homoláctica Hexosa -> 2 lactato" + 2 H+ Streptococcus, algunos Lactobacillus Heteroláctica Hexosa -> lactato" + etanol + CO2 + H+ Leuconostoc, algunos Lactobacillus Del ácido propiónico 3 Lactato -> 2 propionato" + acetato" + CO2 + H2O Propionibacterium, Clostridium propionicum Ácidos mixtab,c Hexosa -> etanol + 2,3-butanodiol + succinato2- + lactato" + acetato" + formiato" + H2 + CO2 Enterobacterias como Escherichia, Salmonella, Shigella, Klebsiella, Enterobacter Del ácido butirico" Hexosa -> butirato" + 2 H2 + 2 CO2 + H+ Clostridium butyricum Del butanol" 2 Hexosa -> butanol + acetona + 5 CO2 + 4 H2 Clostridium acetobutylicum De caproato/butirato 6 Etanol + 3 acetato" >3 butirato" + caproato" + 2 H2 + 4 H2O + H+ Clostridium kluyveri Acetogénica Fructosa ->3 acetato" + 3 H+ Clostridium aceticum "La glucosa es el sustrato inicial de la glicolisis. No obstante, se pueden fermentar otros muchos azúcares C. (hexosas) tras su conversión a glucosa. "No todos los organismos producen todos los productos. En concreto, la producción de butanodiol esta limitada a ciertas enterobacterias. La reacción no está igualada. "También otros productos como un poco de acetato y un poco de etanol (solo en la fermentación del butanol).