Serie de diapositivas que ilustran los conceptos básicos del metabolismo bacteriano.

1. CONCEPTOS DE
METABOLISMO
UNIVERSIDAD DE PANAMÁ
Facultad de Ciencias Naturales, Exactas y Tecnología
Departamento de Microbiología y Parasitología
Preparado por
Humberto Cornejo

2. FILOGENIA
• La filogenia es el estudio de la evolución y desarrollo de las especies.
La comparación de secuencias de algunas macromoléculas, es la
forma mas precisa y confiable para inferir en las relaciones
filogenéticas
• El análisis filogenético basado en la secuencia de ADN ha descubierto
que los cinco reinos no representan cinco líneas evolutivas
primordiales
• La vida celular en la Tierra ha evolucionado a través de tres linajes
principales, denominados dominios, las bacterias, las arqueas, y las
eucariotas

3. ¿Por qué es importante la
filogenia?
La comprensión y la clasificación
de la diversidad de la vida en la
Tierra
Prueba de hipótesis evolutivas:
- Rasgo de evolución
- coevolución
- modelo y el patrón de especiación
- rasgo evolución correlacionado
- biogeografía
- orígenes geográficos
- edad de diferentes taxones
- la naturaleza de la evolución molecular
- epidemiología de las enfermedades
... Y muchas más aplicaciones!
Árbol de la vida

4. Filogenia
¿Qué es una filogenia?
El diagrama de ramificaciones muestra las relaciones entre las especies
(o taxones superiores) sobre la base de sus ancestros comunes
compartidos
Species: A B C D
Time
A
B
C
D
Time
A y B están más estrechamente relacionadas, ya que comparten
un común ancestro (llame al ancestro "E") que C y D no comparten
E
E
F
F
A + B + C están más estrechamente relacionados entre sí que a D, ya
que comparten un ancestro común (“F") que D no comparte

5. Filogenía
Internal nodes =
ancestral taxa
Los nodos terminales = taxones contemporánea

6. FILOGENIA BACTERIANA
Carl Woese, 1977
Eligiendo un gen muy conservado, como el que codifica el RNA de la subunidad pequeña del
ribosoma (SSU rRNA)

7. FILOGENIA BACTERIANA

8. QUÉ ES METABOLISMO?

9. RELACIÓN ENTRE METABOLISMO Y CATABOLISMO

10. Source of Carbon, Energy, and
Hydrogen / Electrons
Carbon Sources
Autotrophs
CO2 sole or principal biosynthetic carbon
source
Heterotrophs
Reduced, preformed, organic molecules from
other organisms
Energy Sources
Phototrophs Light
Chemotrophs
Oxidation of organic or inorganic
compounds
Hydrogen or Electron Sources
Lithotrophs Reduced inorganic molecules
Organotrophs Organic molecules

11. The two types of chemotrophic metabolism
Type Electron
donor
Electron
acceptor
Carbon
source
Examples
Chemoorganotrophy Organic substrate O2 Organic substrate pseudomonads, bacilli
Organic substrate NO3
- Organic substrate Bacillus licheniformis
Organic substrate SO4
2- Organic substrate Sulfate reducer
Organic substrate
Organic
Substrate
Organic substrate
Clostridia, lactic acid
bacteria
Chemolithotrophy H2 O2 CO2
Hydrogen-oxidizing
bacteria
H2S O2 CO2 Thiobacilli
H2S NO3
- CO2 Th. denitrificans
Fe2+ O2 CO2 Th. ferrooxidans
NH3 O2 CO2 Nitrosomonas
NO2
- O2 CO2 Nitrobacter
H2 CO2 CO2
Methanogenic
bacteria
H2 CO2 CO2 Acetogenic bacteria

12. The two types of phototrophic metabolism
Type Electron donor Carbon source Examples
Photolithotrophy H2O CO2 Plants, cyanobacteria
H2S, So , H2 CO2 Chromatiaceae, Chlorobiaceae
Photoorganotrophy
Organic
substrate
Organic substrate Rhodospirillaceae

13. CONCEPTOS BÁSICOS DE ENERGÍA
• Primera ley de la termodinámica: la energía no se crea ni se destruye
en el universo
– Los organismos pueden tomar y convertir la energía del medio
que les rodea a una forma adecuada para sus procesos biológicos
– Microorganismos y plantas fotosintéticas convierten la energía del
sol en compuestos orgánicos de alta energía
– Unidades de energía
• Calorias (cal): cantidad de energía
calórica necesaria para elevar 1 gr
de agua de 14.5 a 15.5 ºC
• Joules (J): unidad de trabajo
• 1 cal = 4.1840 J

14. CONCEPTOS BÁSICOS DE ENERGÍA
• Segunda ley de la termodinámica:
– En todo proceso o reacción, parte de la energía involucrada pierde
su habilidad para hacer trabajo. En cualquiera reacción la
cantidad de moléculas en desorden siempre incrementa
• Los sistemas vivientes son ordenados,
sin embargo el universo tiende hacia un
sistema de desorden con energía no
aprovechable (incremento de la entropía)
• Los organismos están en constante batalla
con la entropía
- Mueren cuando finalmente pierden el
combate

15. CONCEPTOS BÁSICOS DE ENERGÍA
• Energía libre
• Toda reacción química puede ser descrita por la siguiente ecuación:
ΔH = ΔG + ΔS
ΔH: es la energía total de una reacción
ΔS: es la cantidad de energía que se pierde en el desorden del sistema y que
no es útil para hacer trabajo (entropía)
ΔG: es la cantidad de energía libre disponible para hacer trabajo
• La ecuación también puede ser expresada como: ΔG = ΔH - T ΔS
- > ΔS, desorden en el sistema y ΔG es negativo
 La reacción ocurre espontáneamente
 Energía disponible para hacer trabajo

16. CONCEPTOS BÁSICOS DE ENERGÍA
 Almidón CO2 + H2O
 ATP ADP + Pi
- < ΔS, ordenamiento del sistema y ΔG es positivo
- La reacción no ocurre espontáneamente
- La célula construye sus componentes celulares
-- Agrega energía
-- El incremento del desorden por el rompimiento de
la molécula de ATP compensa el ordenamiento por
la formación de componentes celulares y permite
que las reacciones ocurran

17. CONCEPTOS BÁSICOS DE ENERGÍA
• La energía libre define la dirección de una reacción química
A + B C + D
- En equilibrio, la tasa de reacción en ambas direcciones es igual y no
ocurre cambio de concentración entre los productos y los reactantes
- La situación es descrita por la constante de equilibrio:
[C] [D]
Keq = --------------
[A] [B]
- El cambio de energía libre determinado en condiciones estándares
de concentración, presión, pH, temperatura es llamada Cambio de
Energía Libre Estándar (ΔGo ) a pH 7 ΔGo‘ . ΔGo‘ es la máxima
cantidad de energía disponible del sistema para hacer trabajo bajo
condiciones estándares

18. CONCEPTOS BÁSICOS DE ENERGÍA
• Relación entre ΔGº‘ y la Keq :
ΔGº‘ = - 2,303 RT * log Keq
R: constante de los gases (1,9872 cal/mol o 8,3145 J/mol
T: temperatura absoluta
Reacciones Exergónicas Reacciones Endergónicas
A + B C + D A + B C + D
[C] [D] [C] [D]
Keq= ------------ >1.0 Keq= ----------- < 1.0
[A] [B] [A] [B]
Go' es negativo Go' es positivo

19. CONCEPTOS BÁSICOS DE ENERGÍA
• El cambio de energía libre está relacionado al equilibrio de reacciones
de oxidación – reducción
• En las reacciones redox los electrones se mueven de un donador de
electrones (agente reductante) a un aceptor de electrones (agente
oxidante)
Oxidante + ne- Reductante
n = número e- = electrones
• La constante de equilibrio de la reacción se llama Potencial de
Reducción Estándar (Eo), a pH 7 Eo
'. El potencial de reducción se
define como la medida de la tendencia de un agente reductante a
perder electrones. Ejemplo:
2H+ + 2 e- H2

20. CONCEPTOS BÁSICOS DE ENERGÍA
• En el caso de las reacciones de acoplamiento, la reacción con el Eo
más negativos se acopla donando electrones a la reacción con el Eo
más positivo
• Ejemplo. Caso del Dinucleotido de Nicotinamida Adenina (NAD+).
NAD+/NADH se acopla O2/H2O.
NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+ Eo
'= - 0, 32 V
1/2 O2 + 2H+ + 2e- H2O Eo
'= + 0, 82 V
• Como NAD+/NADH es más negativo que 1/2 O2/H2O, los electrones
fluyen del NADH al O2

22. CONCEPTOS BÁSICOS DE ENERGÍA
NADH + H+ NAD+ + 2H+ + 2e- Eo
'= + 0.32 V
1/2 O2 + 2H+ + 2e- H2O Eo
'= + 0.82 V
-----------------------------------------------------------------------------------
NADH + H+ + 1/2 O2 NAD+ + H2O Eo
'= + 1.14 V
• Cuando los electrones se mueven de un potencial más negativo a uno
más positivo, se libera la energía libre y el Go' de la reacción está
directamente relacionado a la magnitud de la diferencia entre los Eo
'
de dos reacciones acopladas, Eo
':
Go' = - n·F·E0‘
n = número de electrones transferidos
F = constante de Faraday (23,062 cal/mol-V o
96,494 J/mol-vol-1- equivalentes-1)

23. CONCEPTOS BÁSICOS DE ENERGÍA
• Cuando los electrones del NADH se mueven al O2 durante la
respiración aerobia, una gran cantidad de la energía libre está
disponible para sintetizar ATP. Las bacterias requieren aporte
continuo y de acceso inmediato de energía, que es usada en procesos
de:
a. biosíntesis (anabolismo)
b. transporte activo
c. translocación de proteínas a través de la membrana
citoplásmica
d. movimiento flagelar
e. bioluminiscencia
f. transportadores de electrones

24. SOME ELECTRON ACCEPTOR USED IN
RESPIRATION
Electron
Acceptor
Reduced
Products
Examples of
Microorganisms
Aerobic O2 H2O
All aerobic bacteria, fungi,
protozoa, and algae
Anaerobic NO3
- NO2
- Enteric bacteria
NO3
- NO2
- , N2O, N2 Pseudomonas and Bacillus
SO4
2- H2S
Desulfovibrio and
Desulfotomaculum
CO2 CH4 All methanogens
So H2S
Desulfuromonas and
Thermoproteus
Fe3+ Fe2+ Pseudomonas and Bacillus

25. El movimiento de electrones en la célula requiere
de la participación de transportadores como:
• NAD+ (Dinucleotido de adenina nicotinamida)
NADP+
Tanto NAD+ como NADP+ aceptan dos electrones y un protón de un
donador, un segundo protón es liberado
• FAD (Dinucleotido de adenina flavina)
Este transportador acepta dos electrones y dos protones en el
complejo sistema de anillos
• CoQ (coenzyma Q o ubiquinona)
• Citocromos (a,b,c,d)
•

26. El movimiento de electrones en la célula requiere
de la participación de transportadores como:
• Proteinas FeS
• Citocromos y otros transportadores utilizan átomos de Fe para
transportar electrones por reacciones de oxido-reducción
Fe3+ (ferrico) + e- Fe2+ (ferroso)

27. CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRÓNES

28. CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRÓNES

29. Sistema Respiratorio Aerobio de E. coli

30. Hipótesis Quimiosmótica
Peter Mitchell propuso la
"hipótesis quimiosmótica en 1961
NADH deshidrogenasa
Succinato deshidrogenasa
Complejo citocromo bc1
Citocromo c oxidasa

31. Quimiosmosis
La fuerza Protón-Motriz
En 1978, el Premio Nobel de química fue entregado
a Peter Mitchell

33. Fosforilación a Nivel de Sustrato
Embden-Meyerhof -
Parnas pathway

34. Reoxidación del NADH durante la Fermentación

35. Función de la PEP Carboxilasa como una
Enzima Anaplerótica