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1.
Tutoria sobre Metabolismo
microbiano Perspectiva general del metabolismo bacteriano Requerimientos energéticos: trabajo mecánico y químico Fuentes de energía asimilables: luminosa y química: oxidorreducciones Acoplamiento oxido-reducción-energía Acoplamiento químico directo: enlaces ricos en energía: ATP Acoplamiento eléctrico: potencial de membrana Acoplamiento de equivalentes de reducción Potenciales de reducción Poder reductor: intermediarios redox Mecanismos de obtención de ATP en bacterias Fosforilación a nivel de sustrato Fosforilación oxidativa en cadena transportadora de electrones Fotofosforilación fotosintética Metabolismos generadores de energía Relaciones de las bacterias con el oxígeno Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings 1
2.
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 reducción 4. Definir: • donador primario de electrones • aceptor terminal de electrones. • transportador de electrones intermediarios 5. Conocer las diferencias entre fosforilación a nivel de sustrato y fosforilación id ti f f il ió oxidativa 6. Definir los metabolismos productores de energía 7. Conocer las relaciones de las bacterias con el oxígeno Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
3.
Metabolismo microbiano
Metabolismo: Conjunto de reacciones químicas en un organismo Catabolismo: Procesos generadores de energía Anabolismo: Procesos utilizadores de energía Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
4.
Metabolismo microbiano
El catabolismo proporciona no solo la energía sino los metabolitos precursores para el anabolismo anabolismo. Liberación Moléculas simples como de calor glucosa, amino ácidos, l i á id ANABOLISMO glicerol y ácidos grasos CATABOLISMO ATP Las reacciones Las reacciones catabólicas transfieren anabólicas transfieren energía desde moléculas energía desde el ATP í complejas al ATP hacia moléculas simples ADP+ Pi Moléculas complejas, como almidón, proteínas ,p Liberación y lípidos de calor Papel del ATP en el acoplamiento de reacciones Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings anabólicas y catabólicas
5.
Perspectiva general del
metabolismo bacteriano CATABOLISMO ANABOLISMO FOTOSÍNTESIS Luz Biopolímeros (proteínas) Fuente de energía Maquinaria fotosintética Intermediarios biosintéticos (ej: ATP aminoácidos) ATP Calor ADP ADP Pool intracelular de p precursores Calor Productos metabólicos Nutrientes extracelulares finales Relación entre el anabolismo y el catabolismo en una célula. Durante el catabolismo, la energía producida se transforma , g p y se retiene según las leyes termodinámicas, estas transformaciones energéticas nunca son completamente eficientes y siempre se pierde energía en forma de calor. La eficiencia de una secuencia de reacciones catabólicas es la cantidad de energía disponible a la célula (para el anabolismo) dividida por la cantidad total de energía producida durante las reacciones. 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Copyright ©
6.
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 Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
7.
Reacciones
Reacciones Polimerizaciones Reacciones de catabólicas biosintéticas ensamblaje Inclusion Lípidos Ác. grasos ~8 Metabolitos LPS precursores Envueltas Azúcares Energía Glucógeno ~ 25 Glucosa metabólica: ATP; FPM Flagelos Mureina Amino Poder ácidos ~ Pili reductor: d t 20 Proteína NAD(P)H Citoplasma RNA Nucleótidos Poli- ~8 ribosomas Nucleoide DNA Productos Precursores Macromoléculas Estructuras catabólicos en E.coli Esquema del metabolismo que conduce al crecimiento bacteriano: Flujo bioquímico que convierte un sustrato orgánico polimerización yPearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Copyright © 2006 ensamblaje 7 (glucosa) HETEROTROFOS, en las estructuras de una célula bacteriana a través de reacciones catabólicas, biosintéticas de
8.
Requerimientos energéticos: trabajo
mecánico y químico Trabajo químico: • Reacciones endergónicas biosintéticas • Transporte de iones y moléculas a través de la membrana contra g gradiente Trabajo mecánico: de movimiento Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
9.
Metabolismo microbiano
Algunas actividades celulares que demandan energía Relacionadas con el No relacionadas con el crecimiento crecimiento Transporte de nutrientes* Movilidad* Secreción de proteínas y otras Biosíntesis de precursores sustancias Mantenimiento del pool de Polimerización de macromoléculas metabolitos Modificación y transporte de Mantenimiento de la presión de macromoléculas turgencia* Ensamblaje de estructuras Mantenimiento del pH celular* División celular Reparación de estructuras celulares Comunicación intercelular C i ió i t l l Comunicación con el medio: taxias Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
10.
Fuentes de energías
asimilables por las bacterias Las células guardan, transforman y gastan energía Energía Solar: Fototrofos Energía química: Quimiotrofos Toda la energía deriva de reacciones redox orgánicas , inorgánicas o fotoquímicas: los procariotas son l l i t los ú i únicos organismos que pueden utilizar l i d tili los ttres ti tipos d de reacciones para obtener energía: GRAN VERSATILIDAD METABÓLICA La liberación de energía casi siempre implica reacciones de oxido-reducción en las que existe transferencia de electrones Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
11.
Oxidación-Reducción
Oxidación es quitar electrones. Reducción es la adición de electrones. La reacción redox es una reacción de oxidación apareada a otra reacción de reducción. Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
12.
Oxidación-Reducción
En los sistemas biológicos, los electrones suelen estar asociados con átomos de hidrógeno. Las oxidaciones biológicas son a menudo deshidrogenaciones. deshidrogenaciones Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
13.
El ATP funciona
como un coenzima en reacciones energéticas Estructura del ATP: derivado del AMP con dos fosfatos adicionales unidos a través de enlaces fosfato ricos en energía en el sentido de que su hidrólisis proporciona una mayor energía que la contenida en las uniones covalentes. La hidrólisis de ATP hasta ADP y P g genera una variación de energía libre: g ΔGo'= -31 kJ (= -7,3 kcal/mol) Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
14.
Acoplamiento oxido-reducción-energía
Acoplamiento químico directo: enlaces ricos en energía: ATP CH2 OP CH2 OP CH2 OP NAD+ NADH +H + ADP ATP CHOH CHOH CHOH CH C C O O OP O - Pi O Gliceraldehido 3P 1,3 difosfoglicerato 3 fosfoglicerato Acoplamiento eléctrico: potencial de membrana A l i t lé t i t i ld b H+ Oxidación del “POTENCIAL DE MEMBRANA” sustrato Energía M.C q química Trabajo Transporte Síntesis de Sí i d Movimiento ATP Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
15.
Acoplamiento oxido-reducción-energía •Acoplamiento de
equivalentes de reducción BH 2 Eo: potencial de reducción estándar p AH 2 NA D + B Oxidación H2 2 e- + 2 H+ (Eo= - 0,42V) A NA DH +H + CH 2 Reducciones C Mejor donador NADH + H+ + 1/2 O2 → de electrones Par E0 ' (V) Ferrodoxina(ox)/ Ferrodoxina(red)cloroplastos -0,432 H2O + NAD+ H+ / H2 -0.420 0 420 NAD+ / NADH + H+ -0.320 ∆ E0’ = 1.14V S0/H2S -0.280 SO4/H2S -0.220 ∆ Go = -n F ∆ E0’ Piruvato / Lactato -0.180 S4O62-/S2O32- +0.024 Fumarato/succinato +0.03 Citocromo b oxi Cit i +0.035 0 035 F: F constante de F d t t d Faraday Fe3+/Fe2+ +0.2 Ubiquinona(ox) / Ubiquinona (red) +0.11 A mayor diferencia de potenciales de reducción Citocromo C (ox) / Citocromo C (red) +0.250 entre el donador y aceptor de NO3-/NO2- +0.42 electrones, mayor energía se Mejor aceptor Citocromo Oxidasa (ox) / citocromo oxidasa (red) +0.550 genera de electrones PearsonH2O Copyright © 2006 ½ O2 / Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings +0.820
16.
Se utiliza una
célula Eléctrica para medir Los potenciales redox Standard Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
17.
Poder reductor: intermediarios
redox NAD NAD (oxidado) (reducido) 2H (2H+2e-) Nicotinamida Ribosa Estructura del coenzima redox NAD+ Adenina Ribosa Rib Los piridin nucleótidos y otros intermediarios redox (FAD+) funcionan en: • Transferencia del poder reductor Fosfato en: • E l generación del poder reductor En la ió d l d d t NADP+ Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
18.
Tutoria sobre Metabolismo
microbiano uto a sob e etabo s o c ob a o Perspectiva general del metabolismo bacteriano Requerimientos energéticos: trabajo mecánico y químico R i i t éti t b j á i í i Fuentes de energía asimilables: luminosa y química: oxidorreducciones Acoplamiento oxido-reducción-energía p g Acoplamiento químico directo: enlaces ricos en energía: ATP Acoplamiento eléctrico: potencial de membrana Acoplamiento de equivalentes de reducción A l i t d i l t d d ió Potenciales de reducción Poder reductor: intermediarios redox Mecanismos de obtención de ATP en bacterias Fosforilación a nivel de sustrato Fosforilación id ti F f il ió oxidativa en cadena transportadora de electrones d t t d d l t Fotofosforilación fotosintética Metabolismos generadores de energía Relaciones de las bacterias con el oxígeno Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings 18
19.
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 a través de enlaces fosfato ricos en energía en el sentido de que su hidrólisis proporciona una mayor energía que la contenida en las uniones covalentes. La hidrólisis de ATP hasta ADP y P g genera una variación de energía libre: g ΔGo'= -31 kJ (= -7,3 kcal/mol) Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
20.
La generación de
ATP El ATP se genera por la fosforilación del ADP. Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
21.
Mecanismos de obtención
de ATP en bacterias Acoplamientos del proceso redox a la disponibilidad de energía í Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
22.
1. Fosforilación a
nivel de sustrato Transferencia de P desde compuesto orgánico al ADP Enzimas solubles citoplasmáticas Intermediarios covalentes ricos en energía En fermentación y respiración Bajo rendimiento en ATP Ejemplo: Fosforilación de EMP que llevan a cabo todas las bacterias fermentadoras que siguen la ruta glucolítica Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings 22
23.
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 energía g Establecimiento de una fuerza protón motriz o gradiente de potencial a nivel de la membrana p Respiración y fotosíntesis Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
24.
2. Fosforilación oxidativa
respiratoria y fotosintética Procesos unidos a la membrana: vectorial y orientado 2 e- H+ 2 H+ e- 2 2 H+ 2 H+ e- H+ e- 2 H+ Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
25.
Tutoria sobre Metabolismo
microbiano Perspectiva general del metabolismo bacteriano Requerimientos energéticos: trabajo mecánico y químico Fuentes de energía asimilables: luminosa y química: oxidorreducciones Acoplamiento oxido-reducción-energía Acoplamiento químico directo: enlaces ricos en energía: ATP Acoplamiento eléctrico: potencial de membrana Acoplamiento de equivalentes de reducción Potenciales de reducción Poder reductor: intermediarios redox Mecanismos de obtención de ATP en bacterias Fosforilación a nivel de sustrato Fosforilación oxidativa en cadena transportadora de electrones Fotofosforilación fotosintética Metabolismos generadores de energía Relaciones de las bacterias con el oxígeno Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings 25
26.
Metabolismos generadores de
energía: FERMENTACIÓN Compuesto orgánico Donador y aceptor son (donador de e-) sustancias orgánicas Glucosa Flujo d El t Fl j de Electrones Átomos de carbono Intermediario ATP por fosforilación a P Precursores NO h aceptor externo hay t t nivel de sustrato metabólicos de electrones Intermediario-P ADP Fosforilación a nivel ATP de sustrato Compuesto orgánico Transportador o idado (aceptor e-) oxidado de electrones Piruvato Compuesto orgánico C t á i NO h oxidación hay id ió reducido total del sustrato Lactico Acumulación compuestos reducidos Flujo de carbono y electrones en la FERMENTACIÓN Ó Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
27.
Metabolismos generadores de
energía: RESPIRACIÓN Compuesto orgánico HETEROTROFOS (donador de e-) Fosforilación oxidativa Respiración ADP ATP O2 aerobia Átomos de carbono Electrones Biosíntesis NO3- Respiración CO2 Fuerza protón motriz SO42- anaerobia Otros METABOLISMO EN Compuesto inorgánico (donador de e-) (d d d LITOTROFOS CO2 ATP Electrones Átomos de carbono Biosíntesis O2 Flujo de carbono y electrones en la RESPIRACIÓN Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
28.
Metabolismos generadores de
energía: FOTOSÍNTESIS Compuesto LUZ CO2 orgánico Flujo de Electrones Átomos de carbono Átomos de carbono Fuerza motriz Biosíntesis Biosíntesis de protones Fotoautótrofas F t tót f Fotoheterótrofas F t h t ót f ATP Flujo de carbono y electrones en FOTOTROFOS Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
29.
Relaciones de las
bacterias con el oxígeno Ambiente Grupos Efecto del O2 Aeróbico Anaeróbico No Requerido (respiración Aerobios estrictos Crecimiento Crecimiento aerobia) No Requerido pero a bajas Microaerofilos Crecimiento Crecimiento tensiones < 0.2 atm No Anaerobios estrictos Crecimiento Tóxico Crecimiento No requerido pero utilizado Anaerobios facultativos Crecimiento Crecimiento cuando esta disponible Anaerobios Crecimiento Crecimiento No requerido y no utilizado aerotolerantes Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
30.
Relaciones de las
bacterias con el oxígeno Bacterias Aerobios estrictos Aero- Aero- tolerantes Microaerofilos Anaerobios Anaerobios facultativos estrictos Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
31.
Copyright © 2006
Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
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