Este documento presenta una perspectiva general del metabolismo bacteriano. Explica que las bacterias obtienen energía de fuentes luminosas o químicas y la acoplan a la síntesis de ATP a través de procesos como la fosforilación oxidativa o la fotofosforilación. También describe los mecanismos bacterianos para obtener ATP, como la fosforilación a nivel de sustrato y la fosforilación oxidativa, y los diferentes metabolismos generadores de energía. El objetivo es establecer las diferencias entre el anabolismo y el cat

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
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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
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3. Metabolismo microbiano
Metabolismo: Conjunto de reacciones químicas en un
organismo
Catabolismo: Procesos generadores de energía
Anabolismo: Procesos utilizadores de energía
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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12. Oxidación-Reducción
En los sistemas biológicos, los electrones suelen estar
asociados con átomos de hidrógeno. Las oxidaciones
biológicas son a menudo deshidrogenaciones.
deshidrogenaciones
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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)
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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
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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
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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+
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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
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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)
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20. La generación de ATP
El ATP se genera por la fosforilación del ADP.
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21. Mecanismos de obtención de ATP en bacterias
Acoplamientos del
proceso redox a la
disponibilidad de
energía
í
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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
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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
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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+
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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
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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
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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
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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
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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
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30. Relaciones de las bacterias con el oxígeno
Bacterias
Aerobios
estrictos
Aero-
Aero- tolerantes
Microaerofilos Anaerobios Anaerobios
facultativos estrictos
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31. Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings