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Metabolismo microbiano

Definiendo el metabolismo• Conjunto de reacciones químicas que se producen en una

célula u organismo. Tiene lugar en una serie de reacciones catalizadas enzimáticamente que constituyen las rutas me-tabólicas.

• Cada uno de los pasos consecutivos de una ruta metabólica ocasiona un pequeño cambio específico, normalmente la eli-minación, transferencia o adición de un átomo o un grupo fun-cional determinado. El precursor se convierte en producto a través de una serie de intermedios metabólicos denominados metabolitos.

• El término metabolismo intermediario se aplica con fre-cuencia a las actividades combinadas de todas las rutas meta-bólicas que interconvierten precursores, metabolitos y produc-tos de bajo peso molecular.

• El metabolismo es, por tanto, una actividad celular muy co-ordinada en la que muchos sistemas multienzimáticos (ru-tas metabólicas) cooperan para cumplir cuatro funciones:

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Funciones del metabolismo1) Obtener energía química a partir de la captura de ener-

gía solar o degradando nutrientes ricos en energía obte-nidos del ambiente.

2) Convertir moléculas nutrientes en las moléculas carac-terísticas de la propia célula, incluidos los precursores de macromoléculas.

3) Polimerizar los precursosres monoméricos en macro-moléculas: proteínas, ácidos nucleicos y polisacári-dos.

4) Sintetizar y degradar biomoléculas requeridas en fun-ciones celulares especializadas, tales como lípidos de membrana, mensajeros intracelulares y pigmentos.

Tipos de organismos

Fotótrofos Quimiótrofos

Fuentes de energía

Autótrofos Heterótrofos Autótrofos Heterótrofos

Litótrofos

Organótrofos

Litótrofos

Organótrofos

Fuentes decarbono

Fuentes de hidrógeno o electrones

energía de compuestos orgánicos e inorgánicos reducidos

energía del Sol

CO2 de la atmósfera como única o princi-pal fuente de C

moléculas orgánicas

moléculas inorgá-nicas reducidas

moléculas orgánicas preformadas, reduci-das; a partir de otros organismos

Fuente orgánica de C; también CO2

fotolitoautotrofía

fotoorganoheterotrofía

quimiolitoautotrofía

quimioorganoheterotrofía

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Dador de electrones inorgánico

O2, SO42-, NO3

-

Quimiolitotrofía

Dador de electrones orgánico

O2

Respiración aerobia

Fermentación

Aceptor de electrones endógeno orgánico

Respiración anaerobia

NO3-, SO4

2-, CO2, fumarato

Patrones de liberación de energía. En la respiración, los electrones liberados del sustrato orgánico es cedido a un aceptor exógeno, ya sea el oxígeno (respi-ración aerobia) o algún otro aceptor como nitrato o sulfato (respiración anae-robia). En la fermentación, el dador electrónico orgánico cede los electrones a un aceptor endógeno, normalmente un intermedio químico originado del pro-pio catabolismo del nutriente. Los compuestos inorgánicos reducidos también pueden actuar como dadores de electrones para la obtención de energía (qui-miolitotrofía).

Fuentes de energía para los microorganismos

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Etapas del catabolismo. Catabolismo aeróbico en un quimioorganohetero-trofo. El proceso consta de tres etapas. Las líneas discontinuas muestran el flujo de electrones, trans-portados por el NADH y el FADH2.

Glucólisis o vía de Embden-Meyerhof. Es la ruta más común de degradación de la glucosa a piruvato. Está presente en los principales grupos de microorga-nismos y actúa en presencia o au-sencia de O2. Ocurre en el cito-plasma de procariotas y eucario-tas.

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Entradas del glucógeno, almi-dón, disacáridos y hexosas en la fase preparatoria de la glu-cólisis.

Posibles destinos catabólicos del piruvato producido en la glucó-lisis. El piruvato también actúa como precursor de otros com-puestos en reacciones anabólicas.

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Ruta de las pentosas fosfato.Se puede usar al mismo tiem-po que la vía glucolítica. Pue-de operar de forma aerobia o anaerobia, y es importante tan-to en el anabolismo como en el catabolismo.Funciones:1) Formación de NADPH, ne-cesario para la biosíntesis.2) Síntesis de azúcares con 4 y 5 átomos de carbono.3) Los intermedios de la ruta pueden ser usados para produ-cir ATP. Además, parte del NADPH puede transformarse en NADH, produciéndose ATP al ser oxidado en la CTE.4) Se puede usar para cataboli-zar tanto pentosas como hexo-sas.

Vía de Entner-Doudoroff. La ma-yoría de las bacterias tienen las vías glucolítica y de las pentosas fosfa-to, pero algunas sustituyen la glu-cólisis por esta ruta. Está presente en Pseudomonas, Azotobacter, Agrobacterium, Rhizobium y algu-nos otros géneros de microorganis-mos Gram negativos. Muy pocas bacterias Gram positivas tienen esta vía. Enterococcus faecalis es una rara excepción.

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Fermentaciones

En ausencia de respiración aerobia o anaerobia, el NADH no es oxidado por la cadena de transporte de electrones ya que no se dispone de ningún aceptor externo de electrones. Muchos microorganismos usan al piruvato o a uno de sus derivados como aceptor de electrones y de hidrógeno en la reoxidación del NADH.

Reoxidación del NADH durante la fermentación. El NADH producido durante la glucólisis es reoxidado al ser usado en la reducción del piruvato o un derivado del mismo (X). Como consecuencia se obtiene lactato u otro producto reducido.

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Fermentaciones• El sustrato es parcialmente oxidado, se forma ATP

únicamente por fosforilación a nivel de sustrato, y no se requiere oxígeno.

• Muy conocida es la fermentación acidoláctica. Presente en muchas bacterias (Bacillus), algas (Chlorella), algunos mohos acuáticos, protozoos y músculo esquelético animal. Dos tipos:– Fermentadores homolácticos: Vía glucolítica y produ-

cen lactato directamente desde piruvato.– Fermentadores heterolácticos: Se forman otros com-

puestos distintos al lactato (v.gr., lactato, etanol y CO2, por la vía de la fosfocetolasa)

• Muchos hongos y algunas bacterias, algas y protozoos fermentan azúcares a etanol y CO2; es la denominada fermentación alcohólica.

Fermentación heteroláctica y vía de la fosfocetolasa. La ruta convierte la glucosa en lactato, etanol y CO2.

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Fermentaciones más fre-cuentes en bacterias. Se nuestra vía fermentación del piruvato, aunque otros com-puestos pueden sufrir fer-mentación.

Fermentación ácido fórmica• Los miembros de la familia Enterobacteriaceae metabolizan el pi-

ruvato a ácido fórmico y otros productos en un proceso que se cono-ce como fermentación ácido fórmica. El ácido fórmico se convier-te en H2 y CO2 por acción de la enzima fórmico hidrogeniolasa.

• Dos tipos de fermentación ácido fórmica:• Fermentación ácido mixta: Origina etanol y una mezcla com-

pleja de ácidos, en particular los ácidos acético, láctico, succí-nico y fórmico. El fórmico se puede convertir en hidrógeno y dioxido carbónico. Presente en Escherichia, Salmonella, Proteusy otros géneros.

• Fermentación butanodiólica: Presente en Enterobacter, Erwi-nia, Serratia y algunas especies de Bacillus. El piruvato es con-vertido en acetoína, el cual es convertido posteriormente a 2,3-butanodiol con NADH. También se produce cantidades impor-tantes de etanol, junto con pequeñas cantidades de ácidos origi-nados en la fermentación ácido mixta.

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Identificación de las especies de la familia Enterbacteriaceae

En el laboratorio, la fermentación butanodiólica puede dife-renciarse de los fermentadores ácido mixtos, mediante tres pruebas:

1) Prueba de Voges-Proskauer. Detecta la presencia de acetoína, precursor del butanodiol.

2) Prueba del rojo de metilo. Detecta la formación de ácidos producidos en la fermentación ácido mixta. La fermentación butanodiólica produce mayor cantidad de compuestos neutros que ácidos.

3) El CO2 y el H2 son producidos en cantidades simila-res en la fermentación ácido mixta, mientras que los fermentadores butanodióicos producen un exceso de CO2, y la relación CO2/H2 está muy próxima a 5:1.

β-oxidación de ácidos grasos.

Acil graso-CoA

Acetil-CoA

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Ciclo de los ácidos tricarboxílicos (CAT), ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs.

La bacteria anaerobia facul-tativa E. coli no utiliza el ciclo completo en condicio-nes anaerobias o cuando la concentración de glucosa es alta, pero sí en otras ocasio-nes.

Las enzimas del ciclo están ampliamente distribuidas entre los microorganismos. El ciclo completo puede ser funcional en muchas bacte-rias aerobias, protozoos, y en casi todas las algas y hon-gos, y en todas las plantas y animales.

Microorganismos que no tie-nen el ciclo completo, pose-en la mayoría de las enzimas del ciclo.

Los átomos de carbono que se incorporan como acetil CoA, aparecen coloreados, mostrándo-se su incorporación a los intermediarios del ciclo hasta la etapa del succinato. Puesto qye el succinato es simétrico, todos sus átomos de carbono, así como los del resto de compues-tos, contienen carbono procedente del acetil-CoA en igual cantidad.

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Organización del anabolismo. Los productos biosintéticos provienen de intermedios de rutas anfibólicas. Los productos intermedios del CAT se usa en la síntesis de pirimidinas y de una amplia variedad de aminoácidos.Las funciones biosintéticas del ciclo son tan esenciales que la mayor parte del ciclo debe operar de forma anaerobia para proporcionar precursores biosintéticos.Los compuestos del ciclo usados en la biosíntesis tienen que reponerse porque si no fuese así, se agotarían y el ciclo se pararía. Reacciones anaplerópticas.

Los transportadores están organizados asimétricamente en la membrana interna de la mitocondria, de manera que los protones son transportados a través de la misma con-forme los electrones fluyen a lo largo de la cadena, La liberación de protones en el es-pacio intermembrana ocurre cuando los electrones son transferidos desde transporta-dores duales (protones y electrones) hasta transportadores simples de únicamente elec-trones (proteínas con fe hémico y citoctromos). El complejo IV bombea protones a través de la membrana conforme los electrones pasan del citocromo a al oxígeno. No se sabe con exactitud el número de protones que cruzan la membrana en cada punto respecto del par de elctrones transportado.

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Sistema respiratorio aeróbi-co de E. coli. El NADH es la fuente de electrones. La ubi-quinona Q conecta la NADH deshidrogenasa con dos siste-mas oxidasa terminales. La rama superior actúa cunado la bacteria está en fase estaciona-ria y existe poco oxígeno. In-tervienen al menos cinco cito-cromos: b558, b595, b562, d y o. La rama inferior funciona cuando la bacteria está cre-ciendo exponencialmente con una buena aireación.

Cadena transportadora de electrones en Paracoccus denitrificans. La cadena transportadora aerobia se parece a la cadena transportadora mitocondrial y utiliza oxígeno oxígeno como aceptor final de electrones. El metanol y metilamina pueden contribuir con electrones a nivel del citocromo c.

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El flujo de electrones desde el NADH hasta el oxígeno provoca unflujo de protones desde el citoplasma al periplasma. Esto genera un gradiente de protones y de electrones. Cuando los protones entran de nuevo en el citoplasma a través del complejo F0-F1, F1 sintetiza ATP.