Capítulo 7
Fisiología y Genética Microbiana
Fisiología de Microbios
Fisiología – es el estudio de los procesos vitales de la vida
 de un organismo. Especialmente com...
Requisitos nutricionales
Seis elementos químicos que poseen los animales:

  Carbono, hidrogeno, oxigeno, nitrógeno, fos...
Requisitos nutricionales
Los organismos necesitan tres recursos:

  Recursos de energía

  Recursos de carbono

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Requisitos nutricionales
Cuatro formas en que los organismos obtienen sus
  nutrientes
1. Fotoautótrofos

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Requisitos nutricionales
Fuentes de energía
Fototrofo – usa la luz como fuente de energía.
 Convierte la luz en energía q...
Requisitos nutricionales
Fuente de carbono del organismos
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Requisitos nutricionales
Las fuentes de energía se pueden combinar con las de
 carbono
Fotoautótrofos – luz y CO2

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Bacterias y ecología
Ecología – estudio de las interacciones entre los
 organismo y el mundo que los rodea.


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TABLE 7-1 Terms Relating to
Energy and Carbon Sources

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Enzimas metabólicas
Metabolismo – todas las reacciones químicas que ocurren
 en la célula. (reacciones metabólicas)
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Enzimas
Enzimas
Endoenzimas – se producen en la células y se quedan
 dentro de la célula, catalizan una reacción dentro de la
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Enzimas
Apoenzimas
Necesitan de un cofactor para que se lleve a cabo la
 reacción.
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Factores que afectan la enzima
Factores que afectan la eficiencia de la enzima
Funcionan a condiciones optimas
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Metabolismo
Metabolismo – todas las reacciones químicas que ocurren en
 la célula.
Metabolitos – cualquier molécula que ...
Metabolismo
Catabolismo

 Rompimiento de moléculas grandes en moléculas pequeñas.

 Esto requiere el rompimiento de enl...
Tabla 7-2
TABLE 7-2 Differences Between
Catabolism and Anabolism
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Catabolismo y anabolismo
La energía liberada en una reacción de catabolismo se
 utiliza en una de anabolismo.


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Figura 7-2
CATABOLISMO
Liberan energía. Mayor fuente de energía celular. Rompe
 enlaces químicos.


Se usan para mover un flagelo, ...
Ruta bioquímica
Figura 7-3
Reacciones de oxidación-reducción (redox)
 Reacciones pares donde se transfiere un electrón de un
  compuesto a otro.


 ...
Reacciones de oxidación-reducción (redox)

   Oxidación y reducción ocurren simultáneamente. La
    molécula que dona el ...
Fig. 9-UN2




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Fig. 9-3




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           ECOSYSTEM




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Glucosa
Glucosa – el alimento favorito de las células (incluye
 microorganismos).
Nutrientes – fuentes de energía, mient...
Respiración aeróbica
La respiración aeróbica ocurre en tres fases:

 1.   Glucolisis
 2.   Ciclo de Krebs
 3.   Cadena de...
Figura 7.4
 1.Glucolisis
Consiste de 9 pasos bioquímicos



Cada paso necesita de una enzima



Una molécula de 6 carbo...
Glucolisis




             18/03/10
Fig. 9-10




            CYTOSOL                     MITOCHONDRION


                            NAD+       NADH   + H+

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2. Ciclo de Krebs
El acido piruvico es convertido en acetyl CoA antes de
 entrar al ciclo
Consiste de 8 pasos bioquímico...
2. Ciclo de Krebs
 Figura 7.5
El Ciclo de Acido
          Cítrico




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Citric Acid Cycle:
 Balance Sheet




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3. Cadena de transporte de electrones

 Consiste de una serie de reacciones de reducción –
   oxidación, por lo tanto ele...
3. Cadena de transporte de electrones
Se obtienen 32 moléculas de ATP (procariotas) y 34
 (eucariotas)
Una sola molécula...
Cadena
Transportadora
de Electrones




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                                                                                 H+
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Tabla 7-3
TABLE 7-3 Recap of
the Number of ATP
Molecules Produced
From One Molecule
of Glucose by
Aerobic Respiration




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Respiración Celular




                      18/03/10
Fermentación de glucosa
Fermentación – reacciones que ocurren en la ausencia de
 oxigeno (anaeróbicas)
Pasos:

 1.   Glu...
Fermentación de glucosa
Alcohol etílico – levaduras (Saccharomyces) y bacterias
 (“Zymomonas”)
  Vinos, cervezas, otras ...
Fig. 9-18a



                         2 ADP + 2 P i            2 ATP




              Glucose                Glycolysis
...
Fig. 9-18b



                            2 ADP + 2 P i           2 ATP




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Anabolismo
Requieren energía porque se están formando
 enlaces químicos.


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Anabolismo
La síntesis de compuestos orgánicos requiere
 energía.
  Fotosíntesis      quimiosíntesis
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Anabolismo
La meta de la fotosíntesis es atrapar la luz radiante y
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Anabolismo
Bacterias fotosintéticas anoxigenicas – bacterias
 que no producen oxigeno durante el proceso de
 fotosíntesis...
Anabolismo
Quimiosíntesis



Envuelve una fuente de energía química y
 materiales crudos para la síntesis de metabolitos...
Anabolismo
Quimioautotrofos – utilizan CO2 como fuente de
 carbono.
 Algunas arqueas producen metano.

    4H2 + CO2 → ...
Referencias

    Esta presentación fue preparada por la Dra. Noemí Soto
    Nieves.




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Capitulo 7 f isiologia y genetica microbiana

  1. 1. Capítulo 7 Fisiología y Genética Microbiana
  2. 2. Fisiología de Microbios Fisiología – es el estudio de los procesos vitales de la vida de un organismo. Especialmente como los procesos normales funcionan en los organismos vivos. Las bacterias son ideales para estudiar el metabolismo. Fáciles de mantener Toman poco espacio Reproducen fácilmente Observamos su morfología, nutrición, reacciones metabólicas
  3. 3. Requisitos nutricionales Seis elementos químicos que poseen los animales: Carbono, hidrogeno, oxigeno, nitrógeno, fosfato y azufre. Otros elementos Sodio, potasio, cloro, magnesio, calcio, hierro, yodo y trazas de otros alimentos. Macromoléculas Carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleícos
  4. 4. Requisitos nutricionales Los organismos necesitan tres recursos: Recursos de energía Recursos de carbono Nutrientes adicionales Nutrientes esenciales – los materiales que el organismo no puede sintetizar, pero son necesarios para hacer macromoléculas y sostener la vida
  5. 5. Requisitos nutricionales Cuatro formas en que los organismos obtienen sus nutrientes 1. Fotoautótrofos 2. Fotoheterótrofos 3. Quimioautótrofos 4. Quimioheterótrofos
  6. 6. Requisitos nutricionales Fuentes de energía Fototrofo – usa la luz como fuente de energía. Convierte la luz en energía química (fotosíntesis) Quimiotrofo – usa compuestos orgánicos o inorgánicos para obtener energía. Quimiolitótrofos – usan compuestos inorgánicos Quimioorganótrofos – usan compuestos orgánicos.
  7. 7. Requisitos nutricionales Fuente de carbono del organismos Autótrofos – utilizan el CO2 como única fuente de carbono.  Ejemplo: algas, plantas, cianobacterias Heterótrofos – utilizan compuestos orgánicos que no sean el CO2  Ejemplo: humanos, hongos y protozoarios
  8. 8. Requisitos nutricionales Las fuentes de energía se pueden combinar con las de carbono Fotoautótrofos – luz y CO2 Plantas, algas, cianobacterias, bacterias sulfúricas púrpuras y verdes Fotoheterótrofos – luz y otras fuentes de carbono que no sean CO2. Bacterias no sulfúricas purpuras y verdes Quimioautótrofas – químicos de energía y CO2 Bacterias denitrificantes, hidrogeno, hierro y azufre Quimioheterótrofas – químicos y compuesto orgánicos que no sean CO2 
  9. 9. Bacterias y ecología Ecología – estudio de las interacciones entre los organismo y el mundo que los rodea. Ecosistema – interacción entre los organismos vivos y sus ambientes no vivos. Interacciones entre tipos de nutrición.
  10. 10. TABLE 7-1 Terms Relating to Energy and Carbon Sources TERMS RELATING TO TERMS RELATING TO ENERGY SOURCE CARBON SOURCE   Autotrophs (organisms that use Heterotrophs (organisms CO2 as a carbon source) that use organic compounds other than CO2 as a carbon source) Phototrophs (organisms that Photoautotrophs (e.g., algae, Photoheterotrophs (e.g., use light as an energy source) plants, some photosynthetic some photosynthetic bacteria, including bacteria) cyanobacteria) Chemotrophsa (organisms that Chemoautotrophs (e.g., some Chemoheterotrophs (e.g., use chemicals as an energy bacteria) protozoa, fungi, animals, source) most bacteria) a Chemotrophs can be divided into two categories: (1) chemolithotrophs (or simply lithotrophs) are organisms that use inorganic chemicals as an energy source, and (2) chemoorganotrophs (or simply organotrophs) are organisms that use organic chemicals as an energy source.
  11. 11. Enzimas metabólicas Metabolismo – todas las reacciones químicas que ocurren en la célula. (reacciones metabólicas) Las reacciones son reguladas por enzimas metabólicas Enzimas – proteínas que catalizan la razón de una reacción bioquímica (aceleran). Son especificas Ejercen sus efectos en una sustancia particular (substrato) La enzima se recicla y cataliza más substrato Las enzimas se degradan y se hacen nuevas Tenemos miles de enzimas.
  12. 12. Enzimas
  13. 13. Enzimas Endoenzimas – se producen en la células y se quedan dentro de la célula, catalizan una reacción dentro de la célula. Ejemplo: enzimas digestivas en los fagocitos Exoenzimas – dentro de la célula que se liberan de la célula. Catalizan reacciones extracelulares. Ejemplo: celulosa, pectinasa (hongos los segregan) Ejemplo de otras enzimas metabólicas: hidrolasas (rompen macromoléculas) y polimerasas (formación de polímeros de DNA y RNA)
  14. 14. Enzimas Apoenzimas Necesitan de un cofactor para que se lleve a cabo la reacción. Cofactores – iones de minerales o coenzimas (son orgánicas pequeñas, moléculas tipo enzima)  FAD (flavin-adenine dinucleotide)  NAD (nicotinamide adenine dinucleotide) Holofactor – apoenzimas y cofactores
  15. 15. Factores que afectan la enzima Factores que afectan la eficiencia de la enzima Funcionan a condiciones optimas pH, temperatura y cantidades adecuadas de enzima y substrato Acidez y calor – desnaturaliza a las enzimas (dañan su estructura tridimensional) Las bacterias crecen a una temperatura y pH. (depende de sus enzimas) Hay minerales que afectan los cofactores – calcio, magnesio y hierro. Hay metales pesados que son tóxicos (plomo, zinc, mercurio, arsenio)
  16. 16. Metabolismo Metabolismo – todas las reacciones químicas que ocurren en la célula. Metabolitos – cualquier molécula que sea nutriente, un producto intermediario o el producto final de una reacción metabólica Hay dos tipos de reacciones: anabolismo y catabolismo  Catabolismo – reacción catabólica que ocurre en la célula. −Rompimiento de moléculas grandes en moléculas pequeñas.  Anabolismo – se refiere a todas las reacciones anabólicas que ocurren en la célula. − Ensamblaje de moléculas pequeñas en moléculas grandes.
  17. 17. Metabolismo Catabolismo Rompimiento de moléculas grandes en moléculas pequeñas. Esto requiere el rompimiento de enlaces. Cada vez que se rompe un enlace se libera energía. Ósea que las reacciones catabólicas son la mayor fuente de energía de la célula. Anabolismo Ensamblaje de moléculas pequeñas en moléculas grandes. Requiere la formación de enlaces. Energía es requerida para que se formen enlaces. Una vez formados los enlaces representan energía almacenada.
  18. 18. Tabla 7-2 TABLE 7-2 Differences Between Catabolism and Anabolism CATABOLISM ANABOLISM All the catabolic reactions in a cell All the anabolic reactions in a cell Catabolic reactions release energy Anabolic reactions require energy Catabolic reactions involve the breaking of Anabolic reactions involve the creation of bonds; whenever chemical bonds are bonds; it takes energy to create chemical broken, energy is released bonds Larger molecules are broken down into Smaller molecules are bonded together to smaller molecules (sometimes referred to create larger molecules (sometimes referred as degradative reactions) to as biosynthetic reactions)
  19. 19. Catabolismo y anabolismo La energía liberada en una reacción de catabolismo se utiliza en una de anabolismo. La energía también se puede obtener de la luz y almacenarse en moléculas de adenosina trifosfato (ATP). El ATP es la mayor fuente de almacenamiento de energía de la célula.  Esta energía se utiliza en reacciones.  Si no se usa, se hidroliza a ADP (es más estable). La energía se requiere para crecer, reproducir, esporulación, movimiento y transporte activo en la membrana.
  20. 20. Figura 7-2
  21. 21. CATABOLISMO Liberan energía. Mayor fuente de energía celular. Rompe enlaces químicos. Se usan para mover un flagelo, etc. Pero más que nada para llevar a cabo una reacción anabólica. Por ejemplo: disacárido → monosacáridos Rutas bioquímicas: Rutas bioquímicas – una serie de reacciones bioquímicas que ocurren paso a paso comenzando con un material y terminando con otro. (Fig 7-3)
  22. 22. Ruta bioquímica Figura 7-3
  23. 23. Reacciones de oxidación-reducción (redox) Reacciones pares donde se transfiere un electrón de un compuesto a otro. Oxidación – cuando un átomo, ion o molécula pierde uno o más electrones. (se oxida) Reducción – la molécula que gana uno o más electrones (se reduce)
  24. 24. Reacciones de oxidación-reducción (redox) Oxidación y reducción ocurren simultáneamente. La molécula que dona el electrón es el agente reductor y el que la acepta es el agente oxidante. Muchas reacciones además de perder un electrón también pierden un hidrógeno (H+). Reacción de deshidrogenación.
  25. 25. Fig. 9-UN2 becomes oxidized becomes reduced
  26. 26. Fig. 9-3 Reactants Products becomes oxidized becomes reduced Methane Oxygen Carbon dioxide Water (reducing (oxidizing agent) agent)
  27. 27. Fig. 9-2 Light energy ECOSYSTEM Photosynthesis in chloroplasts CO2 + H2O Organic molecules + O2 Cellular respiration in mitochondria ATP ATP powers most cellular work Heat energy
  28. 28. Glucosa Glucosa – el alimento favorito de las células (incluye microorganismos). Nutrientes – fuentes de energía, mientras los enlaces químicos son energía almacenada. Existen varios procesos químicos por los cuales la glucosa es catalizada en la célula: 1. respiración aeróbica 2. fermentación
  29. 29. Respiración aeróbica La respiración aeróbica ocurre en tres fases: 1. Glucolisis 2. Ciclo de Krebs 3. Cadena de transporte de electrones Glucólisis es anaeróbico, mientras el ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones son aeróbicos.
  30. 30. Figura 7.4 1.Glucolisis Consiste de 9 pasos bioquímicos Cada paso necesita de una enzima Una molécula de 6 carbonos se rompe en dos moléculas de acido piruvico. Produce poca energía (dos moléculas de ATP) Se lleva a cabo en el citoplasma
  31. 31. Glucolisis 18/03/10
  32. 32. Fig. 9-10 CYTOSOL MITOCHONDRION NAD+ NADH + H+ 2 1 3 Acetyl CoA Pyruvate CO2 Coenzyme A Transport protein
  33. 33. 2. Ciclo de Krebs El acido piruvico es convertido en acetyl CoA antes de entrar al ciclo Consiste de 8 pasos bioquímicos Luego del ciclo terminamos con el mismo substrato: oxaloacetato Se producen dos moléculas de ATP. Se produce “nicotinamide adenine dinucleotide” NADH, “flavin-adenine dinucleotide” FADH e iones de hidrogeno. En eucariotas esto ocurre en el mitocondria, en procariotas ocurre en la superficie de la membrana celular
  34. 34. 2. Ciclo de Krebs Figura 7.5
  35. 35. El Ciclo de Acido Cítrico 30 18/03/10 30
  36. 36. Citric Acid Cycle: Balance Sheet 18/03/10
  37. 37. 3. Cadena de transporte de electrones  Consiste de una serie de reacciones de reducción – oxidación, por lo tanto electrones son liberados y transferidos a otros compuestos.  Los compuestos son “flavoproteinas, quinonas, “nonheme iron proteins”, y citocromos”. El oxigeno es el aceptador final de electrones en la cadena Una de las enzimas envueltas en este proceso es la “oxidasa del citocromo” (citocromo C). Transfiere el electrón al oxigeno. Importante en pruebas bioquímicas para la identificación de la Bacillus Gram neg.
  38. 38. 3. Cadena de transporte de electrones Se obtienen 32 moléculas de ATP (procariotas) y 34 (eucariotas) Una sola molécula de glucosa: en total se producen 36 moléculas de ATP en procariotas y 38 moléculas de ATP en eucariotas. C6H12O6 + O6 + 38 ADP + 38 (P) → 6 H2O + 6 CO2 + 38 ATP
  39. 39. Cadena Transportadora de Electrones 33 18/03/10 33
  40. 40. Fig. 9-16 H+ H + H+ H+ Protein complex Cyt c of electron carriers ΙV Q ΙΙΙ Ι ATP synthase ΙΙ 2 H+ + 1/2O2 H2O FADH2 FAD NADH NAD+ ADP + P i ATP (carrying electrons from food) H+ 1 Electron transport chain 2 Chemiosmosis Oxidative phosphorylation
  41. 41. Tabla 7-3 TABLE 7-3 Recap of the Number of ATP Molecules Produced From One Molecule of Glucose by Aerobic Respiration   PROCARYOTIC EUCARYOTIC CELLS CELLS Glycolysis 2 2 Krebs cycle 2 2 Electron transport 32 34 chain Total ATP molecules 36 38
  42. 42. Respiración Celular 18/03/10
  43. 43. Fermentación de glucosa Fermentación – reacciones que ocurren en la ausencia de oxigeno (anaeróbicas) Pasos: 1. Glucolisis 2. Convertir piruvato a otro producto  Ejemplo: alcohol etílico y CO2: acido láctico: acido propionico, acido acético, acetona, butanol, acido butírico, isopropanol, acido succínico.  Producen solo dos ATP (un método poco efectivo para usar la glucosa)
  44. 44. Fermentación de glucosa Alcohol etílico – levaduras (Saccharomyces) y bacterias (“Zymomonas”) Vinos, cervezas, otras bebidas alcohólicas, pan Acido láctico – bacterias gram positivas Quesos, yogurts, pepinillos En los humanos causa inflamación del musculo. Algunas bacterias del genero “Streptococcus” daña el esmalte de los dientes. La presencia de bacterias que producen acido láctico causa el sabor amargo en la leche Acido propionico – bacterias “Propionibacterium” Para hacer queso suizo. Le da el sabor y el CO2 que se libera hace los huecos.
  45. 45. Fig. 9-18a 2 ADP + 2 P i 2 ATP Glucose Glycolysis 2 Pyruvate 2 NAD+ 2 NADH 2 CO2 + 2 H+ 2 Ethanol 2 Acetaldehyde (a) Alcohol fermentation
  46. 46. Fig. 9-18b 2 ADP + 2 P i 2 ATP Glucose Glycolysis 2 NAD+ 2 NADH + 2 H+ 2 Pyruvate 2 Lactate (b) Lactic acid fermentation
  47. 47. Anabolismo Requieren energía porque se están formando enlaces químicos. Mucha de la energía requerida para la reacción anabólica proviene de la reacción catabólica. Creación de disacáridos a partir de dos monosacáridos.
  48. 48. Anabolismo La síntesis de compuestos orgánicos requiere energía. Fotosíntesis quimiosíntesis Fotosíntesis – la energía de luz se convierte en energía química formada por enlaces químicos. fotoautótrofos - fototrofos que utilizan CO2 como fuente de carbono. Algas, plantas, cianobacterias y otros tipos de bacterias. Fotoheterótrofos – utilizan pequeñas moléculas orgánicas como fuente de carbono. Algunas bacterias
  49. 49. Anabolismo La meta de la fotosíntesis es atrapar la luz radiante y convertirla en ATP y carbohidratos (glucosa) Bacterias fotosintéticas oxigenicas – bacterias que producen oxigeno por medio de la fotosíntesis. 6CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O + ADP + (P) Al revés de la respiración aeróbica.
  50. 50. Anabolismo Bacterias fotosintéticas anoxigenicas – bacterias que no producen oxigeno durante el proceso de fotosíntesis. Bacteria sulfúricas violetas y bacterias sulfúricas verdes (obligadas anaerobias fotoautótrofas) – utilizan azufre o compuestos de azufre o hidrógenos.
  51. 51. Anabolismo Quimiosíntesis Envuelve una fuente de energía química y materiales crudos para la síntesis de metabolitos y macromoléculas necesarias para el crecimiento y funcionamiento del organismo.
  52. 52. Anabolismo Quimioautotrofos – utilizan CO2 como fuente de carbono. Algunas arqueas producen metano.  4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O Quimioheterotrofos – utilizan otra molécula que no sea CO2 como fuente de carbono La mayoría de las bacterias, todos los protozoarios, hongos, animales e humanos.
  53. 53. Referencias  Esta presentación fue preparada por la Dra. Noemí Soto Nieves. 18/03/10

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