Transcript Quimioorganótrofos

Metabolismo de Procariotas
Bibliografía:
 Brock. Cap 5. Nutrición, cultivo y metabolismo microbiano.
 Brock. Cap 17. Diversidad Metabólica.
“La paciencia es la madre del éxito”
Estructura de la clase
• Clases de metabolismo
• por la fuente de Energía
• por la fuente de Carbono
• Relación con el oxígeno
• Quimioorganótrofos
- Respiración aerobia
- Respiración anaerobia
- Fermentación
Potenciales de reducción
Fuente de E
Almacenamiento
Energía
Compuestos
ceden e-
El dador de e- es tan importante como el aceptor.
Sin uno de ellos, la reacción REDOX no puede ocurrir.
• El donador de e- es como una fuente de E, ya que en la reacción de donación de e-, se
libera energía.
• Cuánta mayor diferencia en Eo, mayor E liberada.
Clases de Metabolismo
Por el tipo de fuente de Energía:
• Fotótrofos: luz
• Quimiolitótrofos: compuestos inorgánicos (H, H2S, Fe)
• Quimioorganótrofos: compuestos orgánicos.
Todos las células requieren carbono (C) como nutriente principal.
Por el tipo de fuente de C:
• Autotrofos: fijan CO2 (Ciclo de Calvin o Inversión del Ciclo del ácido
Cítrico u otras). Se necesita:
- ATP
- poder reductor (NADH o NADPH).
Ejemplo: mayoría fotótrofos y muchos quimiolitótrofos.
• Heterotrofos: compuestos orgánicos.
Ejemplos: todos los quimioorganotrofos.
Metabolismo en procariotas
Fuente
Energía
Luz
Compuestos
Inorgánicos
Compuestos
Orgánicos
Carbono
CO2
Compuestos
orgánicos
Fotoautótrofo
Fotoheterótrofo
(pocos)
Fotótrofo
Autótrofo
Autoquimiolitótrofo
Mixótrofo (algunos)
Quimiolitótrofo
Quimioorganótrofo Heterótrofo
Quimioorganótrofo
Quimioorganótrofos
 Obtienen Energía y C de compuestos orgánicos
Mecanismos de conservación de la energía:
- respiración:
aeróbica
anaeróbica.
- fermentación
• Todos sintetizan ATP con energía liberada de reacciones redox.
Quimioorganótrofos
 Respiracion aeróbica:
- O2 aceptor final de e- y se libera CO2.
- La bomba de protones produce ATP por
fosforilación oxidativa.
 Respiracion anaeróbica:
- nitratos (NO3-), hierro férrico (Fe3+),
sulfatos (SO4=), carbonatos (CO3=) y
compuestos orgánicos aceptan e- y se
libera CO2.
- La bomba de protones produce ATP por
fosforilación oxidativa.
 Fermentación:
- Síntesis de ATP (menos) mediante
fosforilación a nivel sustrato, en lugar de
bomba de H+.
- Ocurre en ausencia de oxígeno y de
aceptores de e- apropiados.
- ATP se forma durante los pasos de
catabolismo de un compuesto orgánico.
Quimioorganótrofos
Fermentación
 Síntesis de ATP mediante fosforilación a nivel sustrato, en lugar de bomba de
H+. Ocurre en anaerobiosis.
Uniones de P ricas en E son transferidas directamente a ADP para
formar ATP.
 El O2 no es muy soluble y ambientes se hacen anóxicos fácilmente.
 Entonces, la descomposición de materia orgánica ocurre anaeróbicamente.
 Si no existen suficientes aceptores de e- (O2, SO4=, NO3-, Fe+++), el carbono
será metabolizado por fermentación.
 La sustancia fermentada es el aceptor y dador de e-.
Quimioorganótrofos
Fermentación
Un proceso conocido de fermentación es la glucólisis.
Glucólisis: “ruptura de azúcares”
• Primer paso en la respiración y en la fermentación.
• Proceso anaeróbico.
• Producción de ATP y piruvato
La glucólisis en organismos fermentadores consiste en 3 etapas:
etapa 1: reacciones preparatorias
etapa 2: conservación de energía
etapa 3: consumisión de NADH y producción de productos de fermentación.
Fermentación: Glucólisis etapas 1 y 2
Etapa 1: Reacciones preparatorias
Etapa 2: conservación de energía
•Ocurren reacciones redox y producción de ATP
•Se forman 2 moléculas de piruvato
•No son reacciones
redox
•Necesitan energía.
• Da 2 moléculas de
gliceraldehído 3P
lisis
Fermentación: Glucólisis
Etapa 3: fermentación.
• Ocurren reacciones redox
• Oxidación de NADH a NAD+.
• Producción de productos de fermentación.
 Se consideran productos de desecho en la regeneración de NAD+ en
ausencia de O2.
 Los productos de fermentación contienen energía (no son oxidados
completamente).
 Como consecuencia, la producción de ATP por fosforilación a nivel
sustrato es menos eficiente que la fosforilación oxidativa.
 Producción neta de E: 2 ATP.
Mymicrobiologyplace.com: glycolisis: steps
Mymicrobiologyplace.com: fermentation
Homofermentativo: producción única de ácido láctico de la
fermentación de glucosa.
Heterofermentativo: producción de varios productos, como
lactato, etanol, CO2 de la fermentación de la glucosa.
Quimioorganótrofos
Fermentación
 Los productos de fermentación difieren dependiendo el organismo.
• Fermentación de ácido láctico:
- ocurre en músculo animal cuando se necesita más E y hay poco O2.
- ocurre en bacterias (en yogur) y hongo
• Fermentación de etanol:
- Importante en producción de pan, cerveza y vino.
- Normalmente solo un producto es deseable: pan (alcohol se descarta), vino (CO2 se elimina).
Existen muchas otras vias de fermentación (Capítulo 17):
- a partir de proteínas
- a partir de ácidos nucleicos
- pero no a partir de ácidos grasos
Productos de fermentación y la industria alimenticia:
Capítulo 25 (Brock 12va edicion)
Quimioorganótrofos
 Obtienen Energía y C de compuestos orgánicos
Mecanismos de conservación de la energía:
- respiración:
aeróbica
anaeróbica.
- fermentación
• Todos sintetizan ATP con energía liberada de reacciones redox.
Quimioorganótrofos
Respiración celular
 Es la oxidación bioquímica de compuestos orgánicos y consecuente producción
de ATP.
 Luego el ATP es utilizada como la energia para procesos como biosíntesis,
transporte, movimiento, etc.
La respiración celular, aeróbica o anaeróbica, ocurre en 4 etapas:
1- Glucólisis (etapas 1 y 2 de la glucólisis)
2- Ciclo del acido cítrico o de Krebs
3- Cadena transportadora de e-: NADH acarrea e-; el aceptor final de e- es el
oxígeno que produce agua (cuando la respiración es aeróbica) u otro compuesto
(respiración anaeróbica).
4- Síntesis de ATP con la ATPasa por fuerza protón motriz.
Dónde ocurren en Eucariotas? Y en Bacterias?
Mitocondria
Respiración aeróbica
El aceptor final de e- es el O2.
Glucosa es oxidada hasta CO2. Gran producción de ATP.
Paso 1: Glucólisis: producción de ATP, de NADH y acetil CoA, en anaerobiosis.
Quimioorganótrofos
Respiración aeróbica
Ciclo del ácido cítrico o Krebs
• Implica la oxidación completa
del piruvato a CO2, con una
gran liberación de energía.
• La E liberada es mucho mayor
a la liberada en la fermentación.
 Los transportadores de
electrones reducidos (NADH y
FADH) van a generar una fuerza
protón motriz.
1- Glucólisis
Mymicrobiologyplace.com: krebs cycle
Quimioorganótrofos
Respiración aeróbica
Fosforilación oxidativa: Cadena transportadora de e-, gradiente de protones y síntesis de ATP.
QuickTime™ and a
decompressor
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 La cadena transportadora de e- consiste en transportadores unidos a la
membrana plasmática que intermedian el transporte de e- desde el donante
primario al O2, que es el aceptor final.
• NADH es el donante de e- más fuerte
• O2 es el aceptor de e- más fuerte.
Quimioorganótrofos
Respiración aeróbica: Cadena transportadora de eCuando los e- son transportados, H+ son separados de los e- y enviados afuera de
la membrana, formando la fuerza protón motriz.
•
Complejo I (NADH quinone oxidoreductase):
transfiere e- de alta E del NADH a FMN (flavin
mononucleotido), a proteínas Fe-S y a coenzima Q
(quinonas, transportador no proteico).
•
Complejo II (succinate dehydrogenase complex):
transfiere E de alta E del FADH a Q.
•
Complejo III (cytochrome bc1 complex):
transfiere e- de Q a citocromos (contiene heme),
proteinas Fe-S (e.g. ferrodoxin) y al citocromo c.
•
Complejo IV (terminal oxidase): transfiere e- del
citocromo c al citocromo a, al citocromo a3 y al
O2.
El O2 cargado negativamente, se uno con H2 y
forma H20.
•
Mymicrobiologyplace.com: electron-transport chain: the process
Quimioorganótrofos
Respiración aeróbica
La Torre Redox
Fuerza protón motriz
• La fuerza protón motriz consiste en un gradiente de pH y un potencial
electroquímico a traves de la membrana plasmática.
• Dentro de la membrana es electricamente negativo y alcalino.
- Esta fuerza permite que la ATP sintasa (ATPasa)
produzca ATP por fosforilación oxidativa.
- ATPasa actúa como un motor: movimiento
de H+ hace que roten las proteínas c y la E
es transferida al complejo F1.
Preguntas
Cuál es el rol de NAD+/NADH en la glucólisis?
Una población de levaduras puede vivir con O2 o sin
O2 con suplemento de glucosa. En cuál caso cree que
la población de levaduras crecerá con mayor
velocidad?
Diseñe un medio de cultivo para un organismo que
puede crecer en acetato como fuente de carbono y
energía. Incluya todos los componentes que pueda.
Quién es el aceptor de los e- derivados de la media
reacción redox:
Succinato - fumarato? Por qué?
Quimioorganótrofos
 Obtienen Energía y C de compuestos orgánicos
Mecanismos de conservación de la energía:
- respiración:
aeróbica
anaeróbica.
- fermentación
• Todos sintetizan ATP con energía liberada de reacciones redox.
Quimioorganótrofos
Sistema de Vida Anaeróbico
El metabolismo anaeróbico es único de los procariotas.
En eucariotas es muy raro.
En presencia de O2 se favorece la respiración aeróbica
hasta que se agota el O2.
Algunos procariotas son anaerobios estrictos, incapaces
de usar el O2.
Metabolismo quimioorganotrofo
• Aceptores de e-: nitratos (NO3-), hierro férrico (Fe3+), sulfatos (SO4=),
carbonatos (CO3=) y compuestos orgánicos.
Quimioorganótrofos
Respiración anaeróbica
Glucólisis
Ciclo del ácido cítrico o Krebs
Fosforilación oxidativa: Cadena transportadora
de e-, gradiente de protones y síntesis de ATP.
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Aceptor de e- distinto de O2
Quimioorganótrofos
Respiración anaeróbica
La Torre Redox
• Aceptores de e-
 Ninguno de estos aceptores de e- es
tan electropositivo como el par O2 /H2O .
 Menor cantidad de E es liberada en la
respiración anaeróbica.
Quimioorganótrofos
Respiración anaeróbica
Distintas formas de respiración
anaeróbica
Respiración anaerobia
Reducción de nitrato
• Compuestos nitrogenados son aceptores de ecomunes en la respiración anaeróbica.
• Ej. el nitrato es reducido a nitrito.
• El nitrito puede reducirse aún más.
• Muchos de los productos son gaseosos y se
pierden (desnitrificación).
• Proceso perjudicial para la agricultura pero
beneficiosa para tratamiento de aguas.
• Todas las enzimas son inhibidas por el O2.
• La mayoría son proteobacterias y aerobios
facultativos y usan otros aceptores
anaerobicamente.
• Ej. Pseudomonas stutzeri.
Desnitrificación
Respiración anaerobia: reducción del nitrato a nitrito
Video:
http://www.sp.uconn.edu/~terry/Common/respiration.html
Cuáles transportadores de e- se utilizan en la
respiración de nitrato?
Flavoproteina
Quinonas
Cytocromo b
Respiración anaerobia
Reducción de sulfato
• Varios compuestos de S son aceptores de een la respiración anaeróbica.
• El sulfato es la forma más oxidada de S y
existe en grandes cantidades en agua de mar.
• Bacterias sulfato reductoras, reducen el
sulfato a H2S (sulfuro).
• Anaerobios estrictos
• Ej. Desulfovibrio.
• Una sola Archaea reduce el sulfato: Archaeoglobus
Reducción de S0 a H2S también ocurre en varias bacteris.
Ej.: Desulfuromonas acetoxidans
Respiración anaerobia
CO2 como aceptor de e-
En ambientes anóxicos, procariotas anaerobios
estrictos usan CO2 (carbonato) como aceptor de e.
No es un buen aceptor pero está presente en gral.
Ejemplos:
- Homoacetógenos
- Metanógenos.
El H2 es un donante importante de e-.
Asimilación versus Respiración
Tanto el nitrato, sulfato y carbonato se asimilan mediante una
reducción y son las fuentes de N, S y C.
Asimilación es la reducción de un compuesto inorgánico para usar en
la biosíntesis.
Disasimilación es la reducción de un compuesto inorgánico como
aceptor en la respiración, en el metabolismo energético.
En la asimilación, solo se reduce el compuesto lo necesario para
satisfacer las necesidades de biosíntesis.
En la respiración, una gran cantidad de compuesto se reduce y el
producto reducido se excreta al ambiente.
Pregunta
En qué se diferencian la respiración y la fermentación?
Escherichia coli es capaz de fermentar glucosa. Además, crecen más rápido
si se les da NO3- (y se produce NO2) y crecen aun más rápido si se aerea el
cultivo. Por qué?
Indique cuál podría ser la relación con el oxígeno
de un Quimioorganotrofo?
Proximo miercoles:
8.30 clase teorica
14.30 Trabajo Practico obligatorio en CICUNC