Metabolismo

ò  It is in the fueling reactions that bacteria display their extraordinary metabolic diversity and versatility. Bacteria have evolved to thrive in almost all natural environments, regardless of the nature of available sources of carbon, energy, and reducing power… The collective metabolic capacities of bacteria allow them to metabolize virtually every organic compound on this planet…

---F.C. Neidhardt, J.L. Ingraham, and M. Shaechter

Quimiorganotrofos

ò  Tienen tres opciones para la generación de energía

ò  Respiración usan aceptador final de e- exógenos ò  O2 para respiración aeróbica y otras moléculas para

respiración anaeróbica.

ò  Fermentación usa aceptador final de e- endógenos

ò  Las rutas más ampliamente usadas son la Ruta Embden-Meyerhof, la ruta de la Pentosa fosfatada y el Ciclo de ácido tricarboxílico (La ruta final de la oxidación aeróbica de nutrientes a CO2)

ò  Estas rutas son anfibólicas.

ò  Fototrófos-------Energía del sol-------Energía química-------Sirve a quimiorganotrofos-------------Recicla desechos de otros organismos.

ò  Quimiolitotrofos oxidan moléculas inorgánicas y en el proceso contribuyen a los ciclos biogeoquímicos de Fe y S.

ò  Los quimiorganotrofos oxidan una fuente orgánica de energía y conservan la energía en forma de ATP.

ò  Electrones liberados son aceptados por una serie de aceptadores.

ò  Respiración- Envuelve cadena de transporte de e-. Según los electrones pasan a través de la cadena hacia el aceptador final se genera un tipo de energía potencial llamada fuerza protonmotriz“proton motive force” (PMF)

ò  Aeróbica

ò  Anaeróbica- NO3-, SO4

-2, CO2, Fe+3,fumarato y ácidos humicos.

ò  En la fermentación el aceptador endógenos es usualmente un intermediario de una ruta catabólica usada para degradar y oxidar la fuente orgánica.

ò  ATP es sintetizado solo por fosforilación a nivel de sustrato. (Un proceso en el cual un grupo fosfato es tranferido a ADP de una molécula de alta energía).

Respiración aeróbica

ò  Envuelve varias rutas catabólicas importantes:

ò  Albert Lehninger

ò  PRIMERA ETAPA: Moléculas complejas son hidrolizadas en sus constituyentes

ò  SEGUNDA ETAPA: Aminoácidos, monosacáridos, ácidos grasos, glicerol y otros productos en la primera etapa son degradados a moléculas más simples. ò  Metabolitos (acetil coA, piruvato) son formados. Además ATP,

NADH y FADH2 son formados.

ò  Carbono parcialmente oxidado entra en el ciclo de ácido tricarboxilico y oxidado completamente en CO2 con la producción de ATP, NADH y FADH2 .

ò  Mucho del ATP derivado de la respiración aeróbica proviene de la oxidación de NADH y FADH2 por la cadena de transporte de electrones. La cual usa oxígeno como aceptador terminal de electrones.

ò  Dentro de las rutas metabólicas hay que señalar que una ruta común a menudo degrada muchas moléculas similares.

ò  Rutas consisten de reacciones catalizadas por enzimas arregladas de tal forma que el producto de una reacción sirve como sustrato de otra.

ò  Muchas rutas catabólicas son importantes en anabolismo ya que estas suplen el material necesario para la biosíntesis a través de precursores metabólicos y agentes de reducción.

Rutas anfibólicas

ò  Precursores metabólicos sirven como moléculas de inicio para rutas de biosínteis. Poder de reducción es usado para reducir el esqueleto de carbono provisto por los precursores metabólicos.

ò  Tres de las rutas más ampliamente usadas son la ruta Embden-Meyerhof (EM), la ruta de la pentosa fosfatada (PF) y el ciclo de ácido tricarboxílico.

ò  EM y PF son reversibles y pueden ser usadas para sintetizar o degradar moléculas.

ò  Las pasos que son irreversibles pueden ser anulasa en la biosíntesis con el uso de otras enzimas que catalizan la reversión de la reacción.

Rompimiento de Glucosa a Piruvato

Glucosa+ 2ADP +2Pi +2NAD+→ 2 piruvato + 2ATP+ 2 NADH +2H+

Embden-Meyerhof pathway (EM)

ò  La ruta más común para la degradación de glucosa

ò  Es encontrada en la mayoría de los grupos de microorganismos.

ò  Funciona en presencia o ausencia de O2.

ò  Ocurre en la matriz citoplasmática

Pentose Phosphate Pathway or hexose monophosphate

ò  Puede operar aeróbicamente o anaeróbicamente

ò  Puede efectuarse simultánea

ò  Se produce NADPH

ò  Las enzimas transketolasa y transaldolasa juegan un rol importante esn esta ruta.

3 glucosa 6-fosfato+ 6NADP+ + 3H2O→2 fructosa 6-fosfato +gliceraldehido 3-fosfato + 3CO2 + 6NADPH + 6H+

La ruta de pentosa fosfatada

ò  NADPH sirve como fuente de electrones para la reducción de moléculas durante la biosíntesis

ò  Produce eritrosa 4-fosfato. Usado para la síntesis de aminoácidos aromáticos y B6 y ribulosa 5-fosfato un constitutente de ácidos nucleicos.

ò  Intermediaries pueden ser usados para produción de ATP. Gliceraldehído 3-fosfato puede entra a Embden Meyerhoff y converstirse a piruvato.

ò  Piruvato puede entrar al ciclo de acido tricarboxílico y producir más energía.

Entner-Doudoroff

ò  Otra ruta para convertir hexosa a piruvato

ò  Es usado por microorganismo de suelos como Pseudomonas, Rhizobium, Azobacter, Agrobacterium y otros organismos gram negativo

ò  Muy pocos Gram Positivo llevan a cabo esta ruta. E.faecalis

ò  Formación de KDPG (2-keto-3-deoxy-6-fosfogluconato)

Ciclo del Ácido tricarboxílico (TCA cycle) ò  En las rutas glicolíticas, la energía capturada por la

oxidación de glucosa a piruvato está limitada a no más de 2 ATP’s generados por fosforilación a nivel de sustrato.

ò  Durante respiración aeróbica, los procesos catabólicos continuan por la oxidaciòn de piruvato a tres CO2.Este proceso emplea un sistema multienzimático llamado complejo piruvato deshidrogenasa.

ò  Oxida y rompe el piruvato a un CO2 y una molécula de acetil-CoA

ò  Acetyl-CoA entre a el ciclo de ácido tricarboxílico, (ciclo de ácido cítrico, Ciclo de Krebs)

ò  TCA genera dos CO2, 3 NADH, un FADH2 y un GTP por cada molécula de acetil coA oxidada.

Transporte de Electrones y Fosforilación

ò  Durante la oxidación de glucosa,se generan seis moléculas de CO2 por glucólisis y por el ciclo de TCA, cuatro moléculas son generadas por oxidación a nivel de sustrato.

ò  Las moléculas han generado NADH y FADH las cuales tienen valores negativos de E0 y pueden ser usados para conservar energía.

ò  Mucho del ATP generado durante respiración aeróbica viene de la oxidación de estos transportadores de electrones en la cadena de transporte de electrones.

Cadena de transporte de electrones

ò  La cadena de transporte de electrones mitocondrial es compuesta de una serie de electrones que operan en conjuntos para transferir electrones a los donadores . Como el NADH y FADH2 a aceptadores como el O2.

ò  En eucariotes la cadena de transporte de electrones reside dentro de la membrana interna del mitocondrio. En procariotas esta dentro de la membrana plasmática.

ò  El sistema mitocondrial está arreglado en una serie de cuatro complejos.

Diferencia entre transportador de electrones

ò  La cadena de transporte de electrones en las bacterias esta compuesta de diferentes cargadores de electrones (ej. arreglo de citocromos) y puede esta extensamente ramificada.

ò  NADH generado en la ruta glicolítica y TCA es donado a cadena de transporte de electrones, donde se oxida a NAD+ por la NADH deshidrogenasa.

ò  Electrones son transferidos por cargadores con potenciales de reducción mas positivos.

ò  A medida que los electrones se mueven a través de cargadores protones se mueven a través de la membrana plasmática al espacio periplásmico ( fuera de la célula)

Fosforilación oxidativa

ò  Es el proceso por el cual el ATP es sintetizado como resultado de los electrones transportados guiados por la oxidación de fuentes de energía química.

ò  La hipótesis quimiosmótica es la más aceptada con relación al mecanismo por el cual la fosforilación oxidativa es realizada.

ò  La teoría dice que la cadena de transporte de electrones es organizada de tal forma que los protones se mueven fuera de la matriz mitocondrial a medida que los electrones son transportados en la cadena.

ò  El resultado de la expulsión de protones es la formación de un gradiente de concentración (PMF)** y un gradiente de carga.

ò  ** Proton Motive Force

ATP producido durante respiración aerobica

Respiración anaerobia

ò  Es el proceso donde un aceptador de electrones exógeno diferente a oxígeno es usado para el transporte de electrones.

ò  Este mecanismo es usado por muchas bacterias y archaea.

ò  Los aceptadores de electrones más comunes son NO3-,

SO4-2, CO2 pero los metales y algunas moléculas

orgánicas también pueden ser reducidas.

ò  Aunque algunas bacterias crecen llevando solo respiración anaerobica, muchas bacterias son capaces de efectuar ambos tipos de respiraciones.

ò  Ej. Paracoccus denitrificans, una bacteria de suelo gram negativa, facultativa, anaeróbica con metabolismo versátil. Bajo condiciones anaerobica usa nitrato como aceptador final de electrones.

ò  Dos diferentes transportadores de electrones son usados por P.denitrificans

ò  Cuando se crece sin oxígeno la cadena de electrones es más compleja . La cadena es altamente ramificada y los complejos de citocromo son remplazados.

ò  Ej : Electrones son pasados de la coezima Q al citocromo b para la reducción de nitrato a nitrito (nitrato reductasa) . Electrones fluyen hacia el citocromo c para la oxidación secuencial de nitrito a nitrógeno gaseoso.

ò  No se genera un gram bombeo de protones pero un PMF es establecido.

ò  La respiración anaerobica de nitrato no permite que la célula tenga nitrato disponible. Este proceso es llamado reducción disimilatoria de nitrato.

ò  Nitrato reductasa remplaza al citocromo oxidasa para catalizar la reacción

ò  NO3- +2e- +2H+→ NO2

- +H2O

ò  Denitrificación – Reducción de nitrito a nitrógeno gaseoso.

ò  2NO3- +10e- +12H+→ N2 + 6H2O

ò  Nitrato reductasa

ò  Nitrito reductasa

ò  Oxido nítrico reductasa

ò  Oxido nitroso reductasa

ò  Bacteria metanogénicas –Anaerobios obligados

ò  Usan CO2 o carbonatos como aceptadores final de e-

ò  El aceptador final de electrones es reducido a metano

ò  Desulfovibrios donan sulfatos para reducir a sulfuro.

ò  SO4 2- +8e- +8H+→ S2- + 4H20

ò  Bacterias metanogénicas y Desulfovibrio usan H2 como fuente de energía (Quimiolitotrófos)

Fermentación

ò  NADH es oxidado a NAD+

ò  El aceptador de electrones es a menudo piruvato o un derivado de piruvato

ò  Fosforilación oxidativa no puede operar reduciendo el ATP producido por glucosa significativamente.

ò  En la fermentación el sustrato es parcialmente oxidado. EL ATP es formado por fosforilación a nivel de sustrato y el oxígeno no es necesario.

Fermentación alcohólica

ò  Muchos hongos, protistas y algunas bacterias fermentan azúcares a CO2 y etanol.

Fermentación alcohólica

ò  Piruvato es decarboxilado a acetaldehído el cual es reducido a etanol por alcohol deshidrogenasa con NADH como aceptador de electrones

ò  Por este tipo de fermentación se producen bebidas alcohólicas ,CO2 de esta fermentación contribuye a la producción de pan

Fermentación de ácido láctico

ò  Reducción de piruvato a lactato

ò  Presente en bacterias (bacterias ácido lácticas, Bacillus)

ò  Protistas (Chlorella, mohos de aguas)

ò  Yogurt, sauerkraut, quesos

Fermentación ácido mixta y fermentacio butanediol

ò  Estos son dos tipos de fermentación de ácidos fórmicos .

ò  Este tipo de fermentación puede ser efectuada por la familia de la Enterobacteriaceae y pueden metabolizar piruvato para formar ácido fórmico.

ò  Fermentación ácido mixta: Resulta en la excreción de etanol y un complejo de ácidos mixtos, particularmente ácido acético, láctico, sucinato y fórmico. (E.coli, Salmonella, Proteus)

ò  Fermentación butanediol - El piruvato es convertido a acetoina el cual es reducido a a 2,3 butanediol con NADH. Una gran cantidad de etanol es producido

ò  Es característico de Enterobacter, Serratia, Erwinia y algunas especies de Bacillus.

ò  Fermentadores homoláctico- (Usan la ruta Embden Meyerhof y directamente reducen casi todo el piruvato a lactato con la enzima lactato deshidrogenasa)

ò  Fermentadores heterolácticos-Forman una cantidad sustancial de otros productos además del lactato, etanol y CO2