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Tutoria sobre Metabolismo microbiano
Perspectiva general del metabolismo bacterianoRequerimientos energéticos: trabajo mecánico y químicoRequerimientos energéticos: trabajo mecánico y químicoFuentes de energía asimilables: luminosa y química: oxidorreduccionesAcoplamiento oxido-reducción-energía
Acoplamiento químico directo: enlaces ricos en energía: ATPAcoplamiento eléctrico: potencial de membranaAcoplamiento de equivalentes de reducciónAcoplamiento de equivalentes de reducción
Potenciales de reducciónPoder reductor: intermediarios redox
Mecanismos de obtención de ATP en bacteriasFosforilación a nivel de sustratoFosforilación oxidativa en cadena transportadora de electronesFosforilación oxidativa en cadena transportadora de electronesFotofosforilación fotosintética
Metabolismos generadores de energía
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings 1Relaciones de las bacterias con el oxígeno
OBJETIVOS DE LA TUTORIA
1. Establecer las diferencias entre anabolismo y catabolismo
2. Conocer los requerimientos de energía en bacterias
3. Conocer los términos de oxidación y reduccióny
4. Definir:
• donador primario de electronesdonador primario de electrones
• aceptor terminal de electrones.
• transportador de electrones intermediarios• transportador de electrones intermediarios
5. Conocer las diferencias entre fosforilación a nivel de sustrato y
f f il ió id tifosforilación oxidativa
6. Definir los metabolismos productores de energía
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7. Conocer las relaciones de las bacterias con el oxígeno
Metabolismo microbiano
Metabolismo: Conjunto de reacciones químicas en un
organismoorganismo
Catabolismo: Procesos generadores de energía
Anabolismo: Procesos utilizadores de energía
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Metabolismo microbiano
El catabolismo proporciona no solo la energía sino los metabolitos precursores para el anabolismometabolitos precursores para el anabolismo.
Moléculas simples comol i á id
Liberación ANABOLISMOglucosa, amino ácidos,glicerol y ácidos grasos de calor ANABOLISMO
CATABOLISMO
Las reacciones catabólicas transfieren
Las reacciones anabólicas transfieren
í
ATP
energía desde moléculas complejas al ATP
energía desde el ATP hacia moléculas simples
ADP+ Pi
Moléculas complejas, como almidón, proteínas Liberación
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin CummingsPapel del ATP en el acoplamiento de reacciones anabólicas y catabólicas
, py lípidos de calor
Perspectiva general del metabolismo bacteriano
CATABOLISMOCATABOLISMO ANABOLISMOANABOLISMOBiopolímeros (proteínas) Luz
FOTOSÍNTESISFOTOSÍNTESISFuente de energía Biopolímeros (proteínas)
Maquinaria fotosintética
Intermediarios biosintéticos (ej: aminoácidos)ATP
Calor
ATPfotosintética
Pool intracelular de precursores
ADP ADPp
Calor
Relación entre el anabolismo y el catabolismo en una célula. Durante el catabolismo, la energía producida se transforma
Nutrientes extracelularesProductos metabólicos finales
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y , g py se retiene según las leyes termodinámicas, estas transformaciones energéticas nunca son completamente eficientes ysiempre se pierde energía en forma de calor. La eficiencia de una secuencia de reacciones catabólicas es la cantidad deenergía disponible a la célula (para el anabolismo) dividida por la cantidad total de energía producida durante lasreacciones.
Metabolismo microbiano
Una ruta metabólica es una secuencia de reacciones
enzimáticas celulares.
Estas rutas vienen determinadas por las enzimas.
Las enzimas están codificadas genéticamente.g
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Reacciones catabólicas
Reacciones biosintéticas
Polimerizaciones Reacciones de ensamblaje
Ác. grasosLípidos
Inclusion
Metabolitosprecursores
Energía
~ 8
Azúcares
LPS
Glucógeno
Envueltas
Energía metabólica: ATP; FPM
Poder d t
~ 25
Amino ácidos ~
Glucógeno
MureinaFlagelos
PiliGlu
cosa
reductor: NAD(P)H
20
Nucleótidos
Proteína
RNA
Citoplasma
Nucleótidos
~ 8
DNA
Poli-ribosomas
Nucleoide
Productos catabólicos
Precursores Macromoléculas Estructuras en E.coli
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Esquema del metabolismo que conduce al crecimiento bacteriano: Flujo bioquímico que convierte un sustrato orgánico (glucosa) HETEROTROFOS, en las estructuras de una célula bacteriana a través de reacciones catabólicas, biosintéticas de polimerización y ensamblaje
Requerimientos energéticos: trabajo mecánico y químico
Trabajo químico:
• Reacciones endergónicas biosintéticas• Reacciones endergónicas biosintéticas
• Transporte de iones y moléculas a través de la membrana contra gradienteg
Trabajo mecánico: de movimiento
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Metabolismo microbiano
Algunas actividades celulares que Algunas actividades celulares que demandan energíademandan energía
Relacionadas con el No relacionadas con el crecimiento crecimiento
Transporte de nutrientes* Movilidad*
Secreción de proteínas y otrasBiosíntesis de precursores Secreción de proteínas y otras sustancias
Polimerización de macromoléculas Mantenimiento del pool de metabolitosmetabolitos
Modificación y transporte de macromoléculas
Mantenimiento de la presión de turgencia*
Ensamblaje de estructuras Mantenimiento del pH celular*
División celular Reparación de estructuras celulares
C i ió i t l l
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Comunicación intercelular
Comunicación con el medio: taxias
Fuentes de energías asimilables por las bacterias
Las células guardan, transforman y gastan energía
Energía Solar: FototrofosEnergía Solar: Fototrofos
Energía química: Quimiotrofos
Toda la energía deriva de reacciones redox orgánicas , inorgánicas o fotoquímicas:l i t l ú i i d tili l t ti dlos procariotas son los únicos organismos que pueden utilizar los tres tipos dereacciones para obtener energía: GRAN VERSATILIDAD METABÓLICA
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La liberación de energía casi siempre implica reacciones de oxido-reducción en las que existe transferencia de electrones
Oxidación-Reducción
Oxidación es quitar electrones.
Reducción es la adición de electrones.
La reacción redox es una reacción de oxidación apareada aLa reacción redox es una reacción de oxidación apareada a
otra reacción de reducción.
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Oxidación-Reducción
En los sistemas biológicos, los electrones suelen estar
asociados con átomos de hidrógeno. Las oxidaciones
biológicas son a menudo deshidrogenacionesbiológicas son a menudo deshidrogenaciones.
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El ATP funciona como un coenzima en reacciones energéticasenergéticas
Estructura del ATP: derivado del AMP con dos fosfatos adicionales unidos através de enlaces fosfato ricos en energía en el sentido de que su hidrólisistravés de enlaces fosfato ricos en energía en el sentido de que su hidrólisisproporciona una mayor energía que la contenida en las uniones covalentes.
La hidrólisis de ATP hasta ADP y P genera una variación de energía libre:
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ΔGo'= -31 kJ (= -7,3 kcal/mol) y g g
Acoplamiento oxido-reducción-energíaAcoplamiento químico directo: enlaces ricos en energía: ATP
CH2 OP
CHOH
CH
CH2 OP
CHOHC
OP
NAD+ NADH +H + CH2 OP
CHOHC
ADP ATP
O O OPPi
CO O-
Gliceraldehido 3P 1,3 difosfoglicerato 3 fosfoglicerato
A l i t lé t i t i l d bAcoplamiento eléctrico: potencial de membrana
H+H
Energía química
Oxidación del sustrato
M.C
“POTENCIAL DE MEMBRANA”
qTrabajo
Transporte Sí i d
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Transporte
MovimientoSíntesis de ATP
Acoplamiento oxido-reducción-energía•Acoplamiento de equivalentes de reducción
BH2 Eo: potencial de reducción estándarAH2
A
NAD+
NADH +H +
B
CH2
OxidaciónReducciones
p
H2 2 e- + 2 H+ (Eo= - 0,42V)
CMejor donador de electrones
NADH + H+ + 1/2 O2 →
H2O + NAD+Par E0 ' (V)
Ferrodoxina(ox)/ Ferrodoxina(red)cloroplastos -0,432
H / H 0 420∆ E0
’ = 1.14VH+ / H2 -0.420
NAD+ / NADH + H+ -0.320
S0/H2S -0.280
SO4/H2S -0.220
∆ Go = -n F ∆ E0’ Piruvato / Lactato -0.180
S4O62-/S2O3
2- +0.024
Fumarato/succinato +0.03
Cit b i 0 035 F t t d F dCitocromo b oxi +0.035
Fe3+/Fe2+ +0.2
Ubiquinona(ox) / Ubiquinona (red) +0.11
Citocromo C (ox) / Citocromo C (red) +0.250
F: constante de Faraday
A mayor diferencia de potenciales de reducción
entre el donador y aceptor de
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Mejor aceptor de electrones
NO3-/NO2
- +0.42
Citocromo Oxidasa (ox) / citocromo oxidasa (red) +0.550
½ O2 / H2O +0.820
entre el donador y aceptor de electrones, mayor energía se
genera
Se utiliza una célulaSe utiliza una célulaEléctrica para medir Los potencialesLos potenciales redox Standard
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Poder reductor: intermediarios redox
NAD NAD(oxidado) (reducido)
2H (2H+2e-)
Nicotinamida
Ribosa
Estructura del coenzima redox NAD+
Rib
AdeninaNAD+
Los piridin nucleótidos y otros intermediarios redoxRibosa Los piridin nucleótidos y otros intermediarios redox(FAD+) funcionan en:
• Transferencia del poder reductor
E l ió d l d d t
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• En la generación del poder reductorFosfato en:
NADP+
Tutoria sobre Metabolismo microbianoPerspectiva general del metabolismo bacterianoR i i t éti t b j á i í i
uto a sob e etabo s o c ob a o
Requerimientos energéticos: trabajo mecánico y químicoFuentes de energía asimilables: luminosa y química: oxidorreduccionesAcoplamiento oxido-reducción-energíap g
Acoplamiento químico directo: enlaces ricos en energía: ATPAcoplamiento eléctrico: potencial de membranaA l i t d i l t d d ióAcoplamiento de equivalentes de reducción
Potenciales de reducciónPoder reductor: intermediarios redox
Mecanismos de obtención de ATP en bacteriasFosforilación a nivel de sustratoF f il ió id ti d t t d d l tFosforilación oxidativa en cadena transportadora de electronesFotofosforilación fotosintética
Metabolismos generadores de energía
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings 18Relaciones de las bacterias con el oxígeno
El ATP funciona como un coenzima en reacciones energéticas
Enlaces fosfato de
alta energía
Estructura del ATP: derivado del AMP con dos fosfatos adicionales unidos através de enlaces fosfato ricos en energía en el sentido de que su hidrólisistravés de enlaces fosfato ricos en energía en el sentido de que su hidrólisisproporciona una mayor energía que la contenida en las uniones covalentes.
La hidrólisis de ATP hasta ADP y P genera una variación de energía libre:
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ΔGo'= -31 kJ (= -7,3 kcal/mol) y g g
La generación de ATP
El ATP se genera por la fosforilación del ADP.
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Mecanismos de obtención de ATP en bacterias
Acoplamientos del proceso redox a la disponibilidad de
íenergía
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1. Fosforilación a nivel de sustrato
Transferencia de P desde compuesto orgánico al ADPEnzimas solubles citoplasmáticasIntermediarios covalentes ricos en energíaEn fermentación y respiraciónBajo rendimiento en ATPBajo rendimiento en ATP
Ejemplo: Fosforilación de EMP que llevan a cabo todas las bacterias fermentadoras que siguen la ruta glucolítica
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2. Fosforilación oxidativa respiratoria y fotosintética
Procesos unidos a la membrana: vectorial y orientado
Fosforilación por transporte de electrones
No existen intermediarios covalentes ricos en energíag
Establecimiento de una fuerza protón motriz o gradiente de potencial a nivel de la membranap
Respiración y fotosíntesis
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2. Fosforilación oxidativa respiratoria y fotosintética
Procesos unidos a la membrana: vectorial y orientado
e- 22H+
H+
e-
H
2H+
2 2e-H+ H+
e-
2H+
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H
Tutoria sobre Metabolismo microbiano
Perspectiva general del metabolismo bacterianoRequerimientos energéticos: trabajo mecánico y químicoFuentes de energía asimilables: luminosa y química: oxidorreduccionesAcoplamiento oxido-reducción-energíaAcoplamiento oxido-reducción-energía
Acoplamiento químico directo: enlaces ricos en energía: ATPAcoplamiento eléctrico: potencial de membranaAcoplamiento de equivalentes de reducción
Potenciales de reducciónPoder reductor: intermediarios redoxPoder reductor: intermediarios redox
Mecanismos de obtención de ATP en bacteriasFosforilación a nivel de sustratoFosforilación oxidativa en cadena transportadora de electronesFotofosforilación fotosintética
Metabolismos generadores de energía
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Metabolismos generadores de energíaRelaciones de las bacterias con el oxígeno
Metabolismos generadores de energía: FERMENTACIÓN
Compuesto orgánico(donador de e-)
Fl j d El tGlucosa
Donador y aceptor son sustancias orgánicas
Intermediario
P
Flujo de ElectronesÁtomos de carbonoGlucosa
PrecursoresPrecursores NO h t tATP por fosforilación a
Intermediario-PADP
P PrecursoresmetabólicosPrecursoresmetabólicos
NO hay aceptor externo de electrones
ATP por fosforilación a nivel de sustrato
Compuesto orgánicoo idado (aceptor e )
Transportador de electrones
ATPFosforilación a nivel
de sustrato
oxidado (aceptor e-)
C t á i
de electrones
Piruvato
NO h id ióCompuesto orgánicoreducido
LacticoÓ
NO hay oxidación total del sustrato
Acumulación compuestos reducidos
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Flujo de carbono y electrones en la FERMENTACIÓN
Metabolismos generadores de energía: RESPIRACIÓN
Compuesto orgánico(donador de e-) Fosforilación oxidativa
HETEROTROFOS
Respiración aerobia
Electrones
ATPADP O2
NO
Átomos de carbono
Respiración anaerobia
Electrones
CO2
NO3-
SO42-
OtrosFuerza protón motriz
Biosíntesis
Compuesto inorgánico(d d d )
Otros
METABOLISMO EN (donador de e-)
Electrones
CO2
Átomos de carbono
LITOTROFOS
ATP
O2Biosíntesis
Átomos de carbono
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Flujo de carbono y electrones en la RESPIRACIÓN
Metabolismos generadores de energía: FOTOSÍNTESIS
CO2LUZ Compuesto
orgánico
Átomos de carbono
Flujo de Electrones Átomos de carbono
BiosíntesisFuerza motriz de protones
Biosíntesis
F t tót f F t h t ót f
ATP
Fotoautótrofas Fotoheterótrofas
ATP
Flujo de carbono y electrones en FOTOTROFOS
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Relaciones de las bacterias con el oxígeno
GruposAmbiente
Efecto del O2Aeróbico Anaeróbico
Aerobios estrictos Crecimiento No Crecimiento
Requerido (respiración aerobia)
Microaerofilos Crecimiento No Crecimiento
Requerido pero a bajas tensiones < 0.2 atm
NoAnaerobios estrictos No Crecimiento Crecimiento Tóxico
Anaerobios facultativos Crecimiento Crecimiento No requerido pero utilizado Anaerobios facultativos Crecimiento Crecimiento cuando esta disponible
Anaerobios aerotolerantes Crecimiento Crecimiento No requerido y no utilizado
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aerotolerantes
Relaciones de las bacterias con el oxígeno
Bacterias
Aerobios estrictos
AeroAero-- tolerantestolerantes
Anaerobios estrictos
Anaerobios facultativos
Microaerofilos
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