METABOLISMO MICROBIANO

METABOLISMO MICROBIANO
TEMARIO
Clasificación
Metabolismo Quimio-órgano-heterótrofo (QOH). Vías oxidativas de la
glucosa. Tipos de metabolismo QOH: respiración aeróbica y
anaeróbica, fermentación y oxidación incompleta.
Metabolismo Quimio-lito-autótrofo (QLA). Nitrificación. Sulfatación.
Oxidación del H2
Metabolismo Foto-lito-autótrofo (FLA). Fotosíntesis oxigénica y
anoxigénica.
Eficiencia de obtención de energía:
a)
b)
diferencia de potencial entre pares redox.
cantidad de reacciones intermedias.
CLASIFICACIÓN METABÓLICA
QUIMIO
ORGANO
FOTO
LITO
HETEROTROFO
AUTOTROFO
1) Fuente de energía: (química o luz)
2) Compuesto que se oxida (orgánico o
inorgánico)
3) Fuente de C celular (orgánico o
inorgánico)
QUIMIO-ÓRGANO-HETERÓTROFOS (QOH)
TIPOS DE METABÓLISMOS QOH
a) Respiración aeróbica
b) Fermentación
c) Respiración anaeróbica
d) Oxidación incompleta
VÍAS OXIDATIVAS DE LA GLUCOSA
a) Glucólisis
b) Vía de las Pentosas Fosfato (VPP)
c) Vía de Entner-Doudorof
GLUCÓLISIS
Etapa preparatoria
GLUCOSA
GLUCOSA-6P
FRUCTOSA-6P
FRUCTOSA-1,6DP
DIHIDROXIACETONA-P (DHAP)
2 GLICERALDEHIDO-3P
Etapa de recuperación
de energía
2 ACIDO 1,3 DIFOSFOGLICÉRICO
Producción
2 ATP
2 NADH
2 ACIDO 3 FOSFOGLICÉRICO
2 ACIDO 2 FOSFOGLICÉRICO
2 PIRUVATO
2 ACIDO FOSFOENOLPIRUVICO (PEP)
2 ACIDO PIRUVICO
Glucosa
- 6P
NADP +
NADPH
Fosfogluconato
NADP +
Ribulosa- 5P
Ribulosa 5P
Sedoheptulosa 7P
Xilulosa 5P
Gliceraldehido 3P
Eritrosa 4P
Fructosa
- 6P
Fase Oxidativa
NADPH
CO2
Xilulosa 5P
Gliceraldehido 3P
Fructosa 6P
Fase No Oxidativa
VÍA ENTNER-DOUDOROFF
Glucosa
ATP
G6P
NADPH
Fosfogluconato
Producción
1 ATP
H2O
1 NADH
2 ceto 3 desoxi 6 gluconato
1 NADPH
Piruvato
G3P
NADH
ATP
Glucólisis
ATP
Piruvato
A) RESPIRACIÓN AERÓBICA
Piruvato
Glucosa
CoA
NADH
CO2
AcetilCoA
2 NADH
OAA
NADH
2 ATP
Citrato
Malato
Isocitrato
2 Piruvatos
NADH
Fumarato
CO2
α-cetoglutarato
FADH2
Succinato
GTP
NADH
Succinil-CoA
CO2
CADENA RESPIRATORIA Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Espacio
periplasmático
Espacio intermembrana mitocondrial
Pared celular
Matriz mitocondrial
Complejo NADH
deshidrogenasa
Complejo
Citocromo
reductasa
Complejo
Citocromo
oxidasa
ATP
sintasa
Citoplasma de célula
procariota o matriz
mitocondrial de célula
eucariota
Rendimiento de ATP durante la respiración aeróbica procariota de
una molécula de glucosa
Vía metabólica
Rendimiento en ATP
GLUCÓLISIS
Oxidación de Glucosa a Piruvato
Producción de 2 NADH
2 ATP (fosforilación a nivel de sustrato)
6 ATP (fosforilación oxidativa)
DECARBOXILACIÓN DEL PIRUVATO
Producción de 2 NADH
6 ATP (fosforilación oxidativa)
CICLO DE KREBS
Oxidación de SuccinilCoA a
Succinato
Producción de 6 NADH
Producción de 2 FADH2
2 GTP (2 ATP fosforilación a nivel de
sustrato)
18 ATP (fosforilación oxidativa)
4 ATP (fosforilación oxidativa)
TOTAL
38 ATP/ por molécula de glucosa oxidada
B) FERMENTACIONES
FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA
ORGANISMOS: Levaduras: Hongos unicelulares, aeróbicos facultativos.
Bacterias: (Zymomonas).
PRODUCTOS: Etanol, CO2, 2 ATP
VÍAS DE OXIDACIÓN DE LA GLUCOSA: Glucólisis (levaduras), Entner-Doudoroff
(bacterias).
SUSTRATOS: azúcares simples.
IMPORTANCIA: industria alimenticia (pan, cerveza, vino).
Levaduras
Glucosa
2 Piruvato
Glucólisis
Glucosa
2 Piruvatos
2 NAD+
2 NADH
CO2
Bacterias
Vía Entner-Doudoroff
Glucosa
2 Piruvatos
2 Etanol
2 Acetaldehido
FERMENTACIÓN LÁCTICA
ORGANISMOS: Lactobacilaceas: Gram +, sin esporas, inmóviles, anaeróbicas o
microaerófilas.
PRODUCTOS: Homofermentativas: ácido láctico.
Heterofermentativas: ac. láctico, CO2,, etanol y acético.
VÍAS DE OXIDACIÓN DE LA GLUCOSA :
Glucólisis (homofermentativas).
Vía de las PP (heterofermentativas).
SUSTRATOS: azúcares simples.
IMPORTANCIA: industria alimenticia (lácteos, encurtidos), silos.
Glucosa
2 NAD+
Lactato
2 NADH
Piruvato
Homofermentativa
2 NAD+
2 NADH 2 ADP 2 ATP
Glucosa
Ganancia neta
2 NADH 2 NAD+
2 Piruvato
2 ATP
2 Lactato
2 Lactatos
Glucosa
ATP
ADP
G6P
2 NADP+
Fase oxidativa de las PP
2 NADPH
CO2
Ganancia neta
Ribulosa5P
1 ATP
Xilulosa5P
Heterofermentativa
2 NADPH
G3P
Acetil P
NADH
NAD +
NAD +
NADH
2 ADP
1 Lactato
1 Etanol
Acetaldehido
2 ATP
NADH
Piruvato
NAD
NADH
Etanol
NAD +
Lactato
+
1 CO2
FERMENTACIÓN PROPIÓNICA
ORGANISMOS: Propionibacterias: Gram +, sin esporas y
anaeróbicas.
PRODUCTOS: Ácido propiónico.
VÍA DE OXIDACIÓN DE LA GLUCOSA: GLUCÓLISIS.
SUSTRATOS: Azúcares simples.
IMPORTANCIA: metabolismo ruminal.
Almidón
G1P
G6P
Succinato
Fumarato
Succinil CoA
MetilmalonilCoA
Glucólisis
Malato
PropionilCoA
Piruvato
Oxalacetato
Propionato
FERMENTACIÓN ÁCIDO MIXTA (fórmica)
ORGANISMOS: Enterobacterias: Gram -, bacilos flagelados, aeróbicos facultativos,
sin esporas, habitan intestino.
(Aerobacter)
NADH
CO2
Acetoina
2 ATP
Glucosa
Butanodiol
Piruvato
2 NADH
AcetilCoA
Ácido
Fórmico
NADH
ATP
H2
CO2
Acetato
Etanol
FERMENTACIÓN ÁCIDO MIXTA (fórmica)
PRODUCTOS: Ac. Acético, Fórmico, Etanol, CO2, H2, Butanodiol (gen. Aerobacter).
VÍAS DE OXIDACIÓN DE LA GLUCOSA: Glucólisis.
SUSTRATOS: azúcares simples.
IMPORTANCIA: indicadores de contaminación cloacal, enfermedades de plantas
(Erwinia) y animales (tifus, gastroenteritis, neumonía, etc.).
FERMENTACIÓN BUTIRICA
ORGANISMOS: Clostridios: Gram +, esporulados, bacilos, anaeróbicos estrictos,
móviles.
PRODUCTOS: Varios ácidos (siempre butírico), varios alcoholes (siempre
butanol), CO2, H2.
VÍAS DE OXIDACIÓN DE LA GLUCOSA : Glucólisis.
SUSTRATOS: azúcares simples y compuestos polimerizados (almidón, proteínas,
celulosa).
IMPORTANCIA: enfermedades de animales
Gangrena gaseosa (carbunclo sintomático y edema maligno)
Enterotoxemias (riñon pulposo en ovinos y hepatitis necrótica
infecciosa)
Enfermedades neurotópicas (tétano y botulismo)
Glucosa
NADH
ATP
Piruvato
NADH
CO2
H2
ATP
ADP
AcetilCoA
Acetato
Acetaldehido
2 H+
Acetoacetato
Etanol
AcetoacetilCoA
2
CO2
H+
2 H+
2 H+
ADP
Acetona
ButirilCoA
2 H+
2 H+
Isopropanol
2 H+
Butanol
ATP
Butirato
PIRUVATO
FERMENTACIÓN
Alcohólica
ORGANISMO
Levaduras
y bacterias
PRODUCTOS DE
LA
FERMENTACIÓN
Etanol y
CO2
Láctica
homofermentativa
Láctica
heterofermentativa
Propiónica
Acido
mixta
Streptococcus
Leuconostoc
Propionibacterium
Enterobacter
(E. Coli)
Ácido láctico
Ácido láctico
Etanol y CO2
Ácido
propiónico
Ác. Fórmico
Etanol
Acetato
Butanodiol
CO2 y H2
Butírica
Clostridium
Butirato
Butanol
Acetato
Isopropanol
Etanol
CO2
C) RESPIRACIÓN ANAERÓBICA
 VÍAS OXIDATIVAS DE LA GLUCOSA:
Glucólisis
Vía de las pentosas fosfato
Vía Entner-Doudoroff
 CICLO DE KREBS.
 CADENA RESPIRATORIA.
ACEPTOR DE H+: COMPUESTOS INORGÁNICOS: SO4 = y NO3 –
PRODUCTOS: SH2, N2 , N2O.
BALANCE ENERGÉTICO: ~ 34 ATP
Denitrificación
ACEPTOR DE e-: NO2-, NO3MICROORGANISMOS: Anaeróbicos facultativos
(Pseudomonas: bacilos Gram -, flagelación polar. Bacillus: bacilos Gram +, con
flagelación peritrica, con esporas).
PRODUCTOS: N2, y óxidos de nitrógeno (NO, N2O)
IMPORTANCIA: pérdidas de N del suelo y del agua.
Desulfatación
ACEPTOR DE e- : SO4=.
MICROORGANISMOS: anaeróbicos estrictos.
(Desulfovibrio: vibrio. Desulfotomaculum: bacilo Gram +, esporulado,
flagelado).
PRODUCTO: H2S
IMPORTANCIA: pérdidas de S del suelo y del agua.
D) OXIDACIONES INCOMPLETAS:
Organismos con respiración aeróbica completa
Exceso de alimento
metabolismo de superávit
ácidos orgánicos
PRODUCTOS: ÁCIDOS ORGÁNICOS (Ciclo de Krebs) y CO2
BALANCE ENERGÉTICO: DEPENDE DEL PRODUCTO.
OXIDACIONES INCOMPLETAS
QUIMIO-LITO-AUTÓTROFOS (oxidaciones inorgánicas)
 CADENA RESPIRATORIA.
 CARBONO CELULAR: FIJA CO2 (ciclo de Calvin).
Nitrificación
Nitrobacterias: Gram +, aeróbicas estrictas
Nitrosomonas
NH4+
+
O2
NO2-
+
H2O
O2
NO3-
+
H2O
Nitrobacter
NO2-
+
SH2
So
S2O3
SO4-2
(Tiobacterias)
Gram -, flagelación polar
Sulfatación
SH2
+
O2
SO4-2
+
H2O
SH2
+
NO3-
SO4-2
+
N2
Aeróbico
o
anaeróbico
Oxidación del H2
H2
H2
+
+
O2
CO2
H2 O
CH4
Hidrogenomonas
Metanomonas
Aeróbico
o
anaeróbico
FOTO-LITO-AUTÓTROFOS
MEMBRANAS FOTOSINTÉTICAS EN BACTERIAS
Clorosoma de bacterias verdes del azufre
• FOTOSÍNTESIS CÍCLICA O ANOXIGÉNICA
SISTEMA: I (cíclico).
PODER REDUCTOR: H2S S0 S2O3.
BACTERIAS FOTÓTROFAS
(Gram negativas, anaeróbicas, flagelación polar).
• Tiorrodaceas o púrpuras del S (carotenos).
• Clorobiaceas o verdes del S (bacterioclorofila).
Luz
6 CO2
+
12 H2S
C6H12O6
+
12 S
+
6 H2O
P
870
Flujo cíclico de electrones
NADPH
NADP+
Flujo inverso de
electrones (con gasto de
energía)
P
870
Bacterias púrpuras
del azufre
Bacterias verdes
del azufre
Luz roja o
infrarroja
Donantes externos
de electrones
(H2S, S2O3-2, S0
Periplasma
Citoplasma
LUZ
• FOTOSÍNTESIS ACÍCLICA U OXIGÉNICA
SISTEMA: II (no ciclico).
PODER REDUCTOR: H2O (fotólisis del agua).
Cianobacterias: clorofila y ficocianina.
Algas: clorofila y carotenos.
CARBONO CELULAR: FIJA CO2 (Ciclo de Calvin).
Luz
6 CO2
+
6 H2O
C6H12O6
+
6 O2
P700*
P680*
NADP
+
P700
Fotosistema I
H2O
2 e- + 2 H+ + ½ O2
P680
Fotosistema II
Luz
NADPH
Luz
2 H+
Plastoquinona
H+
Estroma
Membrana
tilacoide
2 H+
2 H+
Plastocianina
Lumen
Clorofila
P680
Fotosistema II o
P680
Clorofila
P700
Citocromo bf
Fotosistema I o
P700
ATP sintasa
• ENERGIA Y PODER REDUCTOR EN FOTOTROFOS OXIGÉNICOS Y
ANOXIGÉNICOS
Poder reductor
Carbono
Energía
ACÍCLICA U OXIGÉNICA
Luz
H2O
e-
CO2
ADP
Luz
½ O2
(CH2O)n
ATP
CÍCLICA U ANOXIGÉNICA
H2S
eCO2
S0
Luz
e-
(CH2O)n
SO4-2
ADP
ATP