Temas de microbiología general estudios superiores
- 1. QUINTA UNIDAD NUTRICION, METABOLISMO Y BIOSINTESIS
- 2. NUTRICION, METABOLISMO Y BIOSINTESIS El término metabolismo se utiliza para aludir a todos los procesos bioquímicos que tienen lugar dentro de la célula. Las células microbianas están constituidas por sustancias químicas muy variables; cuando una célula crece, todos los ingredientes químicos aumentan en cantidad, estos elementos químicos provienen del medio ambiente y son transformados por la célula en los constituyentes característicos que la componen; estos elementos que utilizan las células se llaman nutrientes, las cuales son introducidas a las células y transformadas en constituyentes celulares. Este proceso mediante el cual una célula se construye a partir de nutrientes sencillos obtenidos de su medio ambiente, se llama anabolismo o biosíntesis. La biosíntesis es un proceso que requiere energía por lo que cada célula debe disponer de algún mecanismo para obtenerla; esta energía, se obtiene del ambiente a partir de tres clase de fuentes: Luz, sustancias inorgánicas y sustancias orgánicas. Aunque numerosos organismos obtienen su energía a partir de la luz, la mayoría de los microorganismos los obtienen de compuestos químicos. El proceso mediante el cual las sustancias químicas se rompen y se libera energía, se llama catabolismo o digestión. Entonces vemos que en las células se efectúan dos tipos básicos de procesos de transformación química: Los procesos de construcción llamado anabolismo. Los procesos de degradación llamado catabolismo.
- 3. De esta manera el metabolismo es el resultado colectivo de reacciones anabólicas y catabólicas. Los microorganismos se clasifican según la fuente de energía que utilizan así: Los organismos que utilizan la luz como fuente de energía se llaman fotótrofos. Los organismos que utilizan sustancias inorgánicas, como fuente de energía se llaman litótrofos. Los organismos que utilizan sustancias orgánicas como fuente de energía se llaman heterótrofos u organótrofos. La mayoría de los organismos que estudiaremos utilizan compuestos orgánicos como fuentes de energía. Por lo general las reacciones anabólicas, requieren energía, en cambio las reacciones catabólicas las liberan. En términos generales la síntesis de moléculas orgánicas como los carbohidratos, ácidos grasos y proteínas se denominan biosíntesis y su degradación, digestión. El proceso de la digestión durante el cual se libera energía a través de la acción de los mitocondrias , se denomina respiración celular.
- 4. Tanto en crecimiento como en reposo, las células dependen de la constante aportación de energía. La célula viva constituye un estado altamente ordenado de la materia. No sólo se requiere energía para conseguir este orden sino también para mantenerlo. La energía necesaria para mantener el estado vivo, así como para sintetizar los componente celulares la obtienen el organismo con el metabolismo, es decir con la trasformación controlada en el interior de la célula de los distintos compuestos. Las fuentes de energía están constituidas por las sustancias nutritivas que se toman del medio. Estas sustancias son trasformadas en el interior de la célula mediante una serie de reacciones enzimáticas consecutivas que forman parte de vías metabólicas específicas.
- 5. Esquema del metabolismo de una célula que utiliza el tipo de respiración aeróbica
- 6. VIAS BIOSINTETICAS: CATABOLISMO Respiración celular. Es el mecanismo de síntesis de ATP como resultado de las reacciones oxido reducción” que afectan a los compuestos orgánicos; se realizan mediante dos procesos: Respiración anaeróbica o fermentación. Ocurre en todas las células del organismo ( citoplasma ), en el cual el proceso de óxido-reducción se efectúa en ausencia de aceptores terminales de electronesI y uno de los substratos mas importantes empleados como fuente es la glucosa; bajo estas condiciones, se efectúa una oxidación parcial de los átomos de carbono de la glucosa y por consiguiente solo una pequeña cantidad de energía potencial disponible, se libera; este proceso se comprende tres fases y 10 etapas de reacciones controladas por enzimas conocidas como glucólisis y es anaeróbica. El resultado de la glucólisis es la formación de dos moléculas de un compuesto de tres carbonos llamado ácido pirúvico. Para iniciar este proceso, se necesitan dos moléculas de ATP, pero dado que se producen 4 moléculas de ATP, existe una ganancia neta de 2 moléculas. Este ATP se produce en las fermentaciones por un proceso que se llama “fosforilación a nivel de sustrato”, el ATP se sintetiza durante etapas enzimáticas específicas en el catabolismo del componente orgánico; a diferencia con la “fosforilación oxidativa” donde el ATP se produce mediante eventos mediados por membrana no conectados directamente al metabolismo de substratos específicos. Luego puede seguir dos opciones: El piruvato continua su descomposición anaeróbica, o Es desviado hacia un proceso de respiración aeróbica. Los organismos que no tienen mitocondrias, sólo tienen la primera opción; las células eucarióticas, pueden utilizar ambas opciones.
- 7. Glucólisis
- 10. El producto final de la respiración anaeróbica, dependen de los organismos en cuestión. En las levaduras, el piruvato es convertido en alcohol etílico (C3H5OH) y bióxido de carbono a través del proceso de fermentación. En algunas bacterias, el producto final es el ácido acético (C2H4O2), El ácido láctico (C3H6O3), es el producto final en el hombre. En cada caso, el rendimiento neto de energía de la descomposición anaeróbica de una molécula de glucosa al producto final, son dos moléculas de ATP. La vía metabólica de la glucosa a piruvato, se llama glucólisis (ruptura de la glucosa) y en algunas ocasiones se llama vía de Embden Meyerhof (EM), por sus descubridores.
- 11. Respiración aeróbica. La respiración aeróbica del piruvato, se realiza por completo dentro de las mitocondrias; en este caso, el oxígeno molecular u otro oxidante. Actúa como el aceptor terminal de electrones, donde el piruvato se descompone en agua y bióxido de carbono, se forma ATP y se forma productos intermedios que se utilizan en la biosíntesis. La respiración aeróbica ocurre en dos fases: El Ciclo de Krebs. En este ciclo, el piruvato pasa una secuencia de 10 reacciones en las cuales las moléculas de hidrógeno y bióxido de carbono, se separan gradualmente; cada etapa es controlado por una enzima distinta. Durante esta secuencia el FAD se reduce a FADH2 y la nicotinamida adenin dinucleótido (NAD), se reduce a NADH2.
- 13. Ciclo de Krebs
- 14. La fosforilación oxidativa. Es la fase de liberación de energía de la respiración aerobia; el oxígeno y los iones de hidrógeno se combinan en forma controlada, permitiendo que la energía sea utilizada en forma de ATP. En ciertas etapas el NADH2 y el FADH2, se mueven hacia la membrana interna de la mitocondria, ahí los electrones se separan en sus átomos de hidrógeno y pasan a través de una cadena de transporte de electrones, finalmente son aceptados por los átomos de oxígeno, produciendo agua. La cadena de transporte de electrones, se compara con una serie de pequeños diques que desvían una cascada, permitiendo que la energía se libere gradualmente. La energía ahorrada a través de esta elaborada cadena de transporte de electrones, permite una alta eficacia en la conversión de energía durante la respiración aerobia. Este proceso de respiración se resume de la siguiente manera: C6H2O6 + 6 O2 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + energía A temperatura normal, se requiere solo un segundo para convertir una molécula de glucosa en 38 moléculas de ATP; es decir, 2 moléculas de ATP durante la conversión de la glucosa en piruvato y 36 moléculas de ATP por las reacciones que ocurren dentro de la mitocondria.
- 15. Cadena de trasporte de electrones
- 16. Proceso completo de la respiración
- 17. El balance de la respiración aeróbica indica la oxidación total del ácido pirúvico a 3 moléculas de CO2 con la producción de 4 moléculas de NADH y una molécula de FADH; las moléculas de NADH y FADH se pueden reoxidar a través del sistema de transporte de electrones, dando hasta 3 moléculas de ATP por molécula de NADH y 2 ATP por molécula de FADH. Además la oxidación del alfa- citoglutarato a succinato, comprende una fosforilación a nivel de sustrato, produciendo trifosfato de guanosina (GTA), que posteriormente se convierte en ATP. Así se pueden sintetizar en total 15 moléculas de ATP por cada vuelta del ciclo. Como la oxidación de la glucosa produce dos moléculas de ácido pirúvico, se pueden sintetizar un total de 30 moléculas de ATP en el ciclo del ácido cítrico. También cuando hay oxigeno disponible, las 2 moléculas de NADH producidos durante la glucólisis, se pueden reoxidar por el sistema de transporte de electrones dando 6 moléculas más de ATP. Finalmente se producen 2 moléculas de ATP por fosforilación a nivel de sustrato durante la conversión de glucosa en ácido pirúvico, de modo que en total se pueden formar hasta 38 moléculas de ATP a partir de una molécula de glucosa, en contraste con las dos moléculas de ATP que se producen por fermentación. No todo el piruvato esta destinado a la producción de ATP, de igual modo que no todas las moléculas de ATP se utilizan para la producción de calor. Algunos de los productos intermedios del ciclo de Krebs derivados del piruvato, se utilizan en la síntesis de ácidos grasos, aminoácidos y carbohidratos. Los estudios con radioisótopos, han mostrado que las conversiones metabólicas ocurren continuamente; el azúcar es convertido en proteína, la proteína en grasa y la grasa en energía. Si después es necesario, todos estos metabolitos, pueden volver a utilizarse y pasar a través del ciclo de Krebs para producir energía.
- 18. VIAS BIOSINTETICAS: ANABOLISMO Los componentes dominantes de las células, son macromoléculas las que se forman por la polimerización de monómeros. Los polisacáridos son polímeros formados a partir de monómeros de azúcar; las proteínas están formados por aminoácidos y los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos. A continuación resumiremos las reacciones de biosíntesis mediante las cuales se forman estas moléculas pequeñas y las macromoléculas. La energía para el anabolismo la provee el ATP; sin embargo aun cuando se requiere energía para muchas reacciones biosintéticas, el foco de la biosíntesis no esta en la energía, sino en el carbono y en los intermediarios que se forman durante la síntesis de componentes celulares a partir de materias primas sencillas. Sustratos___________________________________________Productos Catabolismo Generación de energía ATP Membrana potencial Anabolismo Consumo de energía Compuestos simples________________________Constituyentes celulares (Biosíntesis)
- 19. Proceso de anabolismo y catabolismo desarrollados en la célula
- 21. Biosíntesis de algunos compuestos de bajo peso molecular Biosíntesis de los aminoácidos La mayoría de los microorganismo y las plantas verdes son capaces de sintetizar los 20 aminoácidos necesarios para la síntesis proteica. Los esqueletos carbonados de los aminoácidos proceden de los metabolitos de las vías del metabolismo intermediario. Los grupos amino se introducen por una aminación directa o por transaminación. La trasferencia de nitrógeno inorgánico a un enlace orgánico tiene siempre lugar a través del amonio. El nitrato, nitrito y nitrógeno molecular se reducen primero en la asimilación a amonio y entonces pasan al compuesto orgánico.
- 22. Principales vías de asimilación del nitrógeno
- 23. Síntesis de los 20 aminoácidos necesarios para la síntesis proteica
- 24. Biosíntesis de nucleótidos La pentosa, procede de la ribosa – 5 – fosfato. Esta puede formarse de dos modos distintos; se forma oxidativa a partir de la glucosa - 6 – fosfato a través de la vía oxidativa de la pentosafosfato, y de forma no oxidativa a partir de la fructosa – 6 - fosfato y el gliceraldehido – 3 – fosfato. La ribosa – 5 - fosfato se utiliza para la síntesis de los nucleotidos púricos y pirimídicos en su forma energéticamente rica. La reducción de la ribosa a desoxirribosa se realiza a nivel del ribonucleótido y trascurre según diversos mecanismos de reacción.
- 25. Biosíntesis de las grasas La biosíntesis de los ácidos grasos de cadena larga consiste en una adición y reducción de grupos acetato. Para incrementar la capacidad reactiva del grupo metilo del acetil CoA se carboxila previamente en una reacción que es biotina – dependiente: Formándose malonil – CoA La síntesis de los ácidos grasos se realiza en un complejo multienzimático y sigue la siguiente ecuación:
- 26. Fermentación Alcohólica por Levaduras y Bacterias El etanol es uno de los productos de la fermentación de los azúcares más abundantes entre los microorganismos. Incluso en las plantas y muchos hongos se almacena etanol en condiciones anaeróbicas. Los principales productores de alcohol son levaduras, sobre todo cepas de Saccharomyces cerevisiae. La fermentación normal de la glucosa a etanol y anhídrido carbónico por las levaduras se realiza a través de la vía de la fructosa – bifosfato. La transformación de piruvato a etanol implica dos pasos. En el primero se descarboxila el piruvato por la piruvato – descarboxilasa, formándose acetaldehído; este se reduce a etanol con NADH2 mediante la alcohol – deshidrogenasa.
- 27. El proceso de fermentación de la glucosa por las levaduras es un proceso anaeróbico; no obstante, las levaduras son aeróbicas. Bajo condiciones anaeróbicas, las levaduras fermentan de una forma muy intensa pero casi no creen. Con la aireación se reduce la fermentación a favor de la respiración. En algunas levaduras la fermentación puede reprimirse casi totalmente mediante una aireación intensa
- 28. Fermentación láctica Las bacterias del ácido láctico se reúnen en la familia de las Lactobacteriaceaes. Para la obtención de energía dependen exclusivamente de los hidratos de carbono y excretan ácido láctico (lactato). La mayoría de estas bacterias necesitan una serie de vitaminas (lactoflavinas, tiamina, ácido pantoténico, acido nicotínico, acido fólico, biotina). Son capaces de utilizar el azúcar de la leche (lactosa). La lactosa es un disacárido que se escinde antes de introducirse en las vías de degradación de las hexosas: El enzima B-galactosidasa se presenta en muy pocas bacterias Leche y sus productos de elaboración (Lactobacillus lactis, L. bulgaricus, L. helveticus, L. casei, L. fermentum, L. brevis, Lactococcus lactis, Lactococcus diacentilactis). Plantas intactas y en descomposición (Lactobacillis plantarum, L delbruckii, L. fermentum, L. brevis, Lactococcus lactis, Leuconostoc mesenteroides) Intestino y mucosas de homnres y animales (Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium; Enterococcus faecalis, Streptococcus salivarius, Streptococcus bovis, S. pyogenes, S. pneumoniae)
- 29. Fermentación Propiónica Las propionibacterias son bacterias de la panza y del intestino de los ruminates; participan en la panza y en la formación de ácidos grasos, principalmente de ácido propiónico y de ácido acético. A ellas se debe que la gran pare del lactato formado en las diversas fermentaciones de la panza se trasformen en propionato. No se encuentran ni en la leche ni pueden aislarse del suelo de las aguas. Para su aislamiento se enriquece en bacterias del ácido propiónico bajo condiciones anaeróbicas en un medio de cultivo con lactao y extracto de levadura que se ha inoculado con queso suizo. Se distinguen varias especies, de las cuales Propionibacterium freudenreichii y su subespecie shermanii, asi como P. acidopropionici son los mas conocidos. Además esxisten otras bacterias formadoras de propionato como Veillonella alcalescens, Clostridium propionicum, Selenomonas y Micromonospora. Bajo condiciones anaerobias, el género Propionibacterium fermenta la glucosa, la sacarosa, la lactosa y la pentosa, asi como el lactato, el malato, la glicerina y otros sustratos hasta propionato.
- 30. Bioquímica de la formación del ácido propiónico (Vía del metilmalonil- CoA) La formación de propionato a partir de lactato sigue la siguiente ecuación: La reducción del lactato o del piruvato hasta el propionato sigue ua vía que, debido al producto intermediario característico, se denomina vía del metilmalonil-CoA. El piruvato se carboxila con participación de un complejo biotina CO2, mediante la metil-malonil CoA-carboxitrasferasa con formación de oxalacetato y a continuación se reduce a succinato, pasando por malato y fumarato. Este paso va acoplado a una fosforilación en el trasporte de electrones. A continuación e succinato se trasforma mediante una CoA – trasferasa (Succinil-CoA propionato-CoA-trasferasa) en su CoA derivado, y así queda activadoEl succinil –CoA se trasforma con participación del coenzima B12 (cianocoblamina) a través de la metil malonil-CoA-mutasa a metilmalonil-CoA. A partir de este producto intermediario ya se libera CO2, formandose propionil-CoA y el enzima antes mencionado, metilmalonil-CoA-carboxitrasferasa, capta el CO2. Del propionil-CoA se libera el propionato, por trasferencia del CoA al succinato mediante la CoA-trasferasa.
- 32. Trasporte de electrones en condiciones anaeróbicas En los sedimentos, lagunas y suelos permentemente inundados (condiciones anóxicas), se desarrollan frecuentemente bacterias que obtienen su energía metabólica” por “respiración anaeróbica”. Estas bacterias utilizan como fuente de carbono y dadores de hidrógeno a aquellos compuestos producidos por las bacterias fermentadoras, o auqe éstas no han utilizado. Los “respiradores anaeróbicos” pueden utilizar como aceptores de H al nitrato, al sulfato, al azufre, al carbonato, al hierro férrico entre otros. L nitrato se reduce a óxido nitroso y nitrógeno molecular, el sulfato y el azufre elemental a sulfhídrico, el dióxido de carbono y el carbonato a acético o metano y el hierro a hierro ferroso. La trasferencia de los electrones liberados de los sustratos orgánicos hasta los iones inorgánicos o compuestos antes mencionados permiten una fosforilación en el trasporte de electrones y una ganancia energética. Los respiradores anaeróbicos tienen una importancia de primer orden para comprender los procesos que tienen lugar en la naturaleza, los ciclos de los elementos y el mantenimiento de los equilibrios en la biosfera.