MECANISMOS DE MECANISMOS DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍAPRODUCCIÓN DE ENERGÍA

Sebastián Urueña VarónJulián Antonio López

Microbiología FundamentalIngeniería Agroindustrial

INTRODUCCION

Las moléculas de nutrientes, como todas las Las moléculas de nutrientes, como todas las moléculas tienen energía almacenada en los moléculas tienen energía almacenada en los enlaces que unen sus átomos. Cuando esta enlaces que unen sus átomos. Cuando esta energía está diseminada por toda la molécula energía está diseminada por toda la molécula es mas difícil para la célula utilizarla. Sin es mas difícil para la célula utilizarla. Sin embargo, varias reacciones de las rutas embargo, varias reacciones de las rutas catabólicas concentran la energía que va catabólicas concentran la energía que va siendo liberada en los enlaces de alta siendo liberada en los enlaces de alta energía del ATP, que se utiliza como un energía del ATP, que se utiliza como un adecuado transportador de energía.adecuado transportador de energía.

INTRODUCCION

• Oxido – ReducciónOxido – Reducción

• Mecanismos de generación de ATPMecanismos de generación de ATP

• Clasificación de los microorganismos Clasificación de los microorganismos atendiendo a sus modelos de atendiendo a sus modelos de producción de energíaproducción de energía

Oxido – ReducciónOxido – Reducción

- La oxidación es la separación de electrones (puesto que la mayoría de las oxidaciones biológicas conllevan la perdida de átomos de hidrogeno se denominan “reacciones de deshidrogenación”.

- La reducción es una ganancia de electrones y es lo opuesto a la oxidación.

Oxido – ReducciónOxido – Reducción• Cuando una sustancia se oxida los átomos de Cuando una sustancia se oxida los átomos de

hidrogeno liberados no permanecen libres en la hidrogeno liberados no permanecen libres en la célula sino que son transferidos inmediatamente célula sino que son transferidos inmediatamente por coenzimas a otro compuesto.por coenzimas a otro compuesto.

NIACINA

Nicotinamida adenín dinucleótido (NAD+)

Nicotinamida adenín dinucleótido fosfato(NADP+)

Oxido – ReducciónOxido – Reducción

• En las reacciones de óxido – reducción la oxidación es una reacción que normalmente libera energía. Las células toman nutrientes, algunos de los cuales les sirven de fuente de energía y los degradan desde formas altamente reducidas hasta compuestos fuertemente oxidados.

• Los compuestos como la glucosa que tienen muchos átomos de hidrogeno están muy reducidos y contienen más energía potencial que los compuestos oxidados.

Generación de ATP: Tipos de Generación de ATP: Tipos de FosforilaciónFosforilación

• La energía que se libera en las reacciones La energía que se libera en las reacciones de oxidación es atrapada dentro de la de oxidación es atrapada dentro de la célula mediante la formación de ATP.célula mediante la formación de ATP.

Un grupo fosfato (P) se añade al ADP por mediación de energía para formar ATP (el símbolo ~ representa un enlace de alta energía que puede romperse fácilmente para liberar energía util. El enlace de alta energía que une al tercer fosfato contiene la energía almacenada en esta reacción.

Generación de ATP: Tipos de Generación de ATP: Tipos de FosforilaciónFosforilación

• Fosforilación: Adición de un (P) a un compuesto Fosforilación: Adición de un (P) a un compuesto químico.químico.

• Los organismos utilizan tres mecanismos de Los organismos utilizan tres mecanismos de fosforilación para generar ATP a partir de ADP.fosforilación para generar ATP a partir de ADP.

- Fosforilación acoplada al sustratoFosforilación acoplada al sustrato- Fosforilación oxidativa*Fosforilación oxidativa*- Fotofosforilación*Fotofosforilación*

**Implican el paso de electrones por los aceptores de una Implican el paso de electrones por los aceptores de una cadena de transporte de electrones. cadena de transporte de electrones.

Generación de ATP: Tipos de Generación de ATP: Tipos de FosforilaciónFosforilación

Fosforilación cíclica:Fosforilación cíclica:

Los electrones Los electrones liberados por la liberados por la clorofila vuelven a ella clorofila vuelven a ella tras pasar por una tras pasar por una cadena de transporte cadena de transporte de electrones. El ATP de electrones. El ATP se forma utilizando la se forma utilizando la energía liberada en el energía liberada en el transporte de transporte de electrones.electrones.

Generación de ATP: Tipos de Generación de ATP: Tipos de FosforilaciónFosforilación

Fosforilación acíclica:Fosforilación acíclica: Los Los electrones liberados por electrones liberados por la clorofila son la clorofila son reemplazados por reemplazados por electrones procedentes electrones procedentes del agua. Los electrones del agua. Los electrones de la clorofila pasan a de la clorofila pasan a través de la cadena de través de la cadena de transporte de electrones transporte de electrones y son incorporados a la y son incorporados a la coenzima NADP para coenzima NADP para formar NADP+formar NADP+

Generación de ATP: Mecanismo Generación de ATP: Mecanismo Quimioosmótico (Quimioósmosis)Quimioosmótico (Quimioósmosis)Fue propuesto primeramente por el biólogo Fue propuesto primeramente por el biólogo

británico británico Peter Mitchell Peter Mitchell en 1961.en 1961.- Las sustancias difunden pasivamente a través Las sustancias difunden pasivamente a través

de las membranas desde zonas de mayor a de las membranas desde zonas de mayor a menor [ ] y que esta difusión libera energía.menor [ ] y que esta difusión libera energía.

- El movimiento de sustancias en El movimiento de sustancias en contracontra de un de un gradiente de [ ] gradiente de [ ] requiererequiere energía. energía.

- En ese transporte activo de iones o moléculas a En ese transporte activo de iones o moléculas a través de las membranas biológicas la energía través de las membranas biológicas la energía necesaria es facilitada normalmente por el ATP.necesaria es facilitada normalmente por el ATP.

- En la quimioósmosis la energía liberada cuando En la quimioósmosis la energía liberada cuando una sustancia* se mueve a favor de un una sustancia* se mueve a favor de un gradiente es utilizada para gradiente es utilizada para sintetizar sintetizar ATP.ATP.

* La “sustancia” se refiere en este caso a los protones (H+)

Generación de ATP: Mecanismo Generación de ATP: Mecanismo Quimioosmótico (Quimioósmosis)Quimioosmótico (Quimioósmosis)

Generación de ATP: Mecanismo Generación de ATP: Mecanismo Quimioosmótico (Quimioósmosis)Quimioosmótico (Quimioósmosis)• Tanto las células procarióticas como las Tanto las células procarióticas como las

eucarióticas utilizan el mecanismo eucarióticas utilizan el mecanismo quimioosmótico para generar energía para la quimioosmótico para generar energía para la producción de ATP, tanto por fosforilación producción de ATP, tanto por fosforilación oxidativa como por fotofosforilación.oxidativa como por fotofosforilación.

• La membrana que contiene los transportadores La membrana que contiene los transportadores de electrones y la ATPasa puede ser la de electrones y la ATPasa puede ser la membrana citoplasmática de las procariotas, la membrana citoplasmática de las procariotas, la membrana interna de las mitocondrias en las membrana interna de las mitocondrias en las eucariotas, o la membrana de los tilacoides en eucariotas, o la membrana de los tilacoides en las cianobacterias y en los cloroplastos las cianobacterias y en los cloroplastos eucarióticos.eucarióticos.

Modelos nutricionales de los Modelos nutricionales de los organismosorganismos

Fuente de energía

Fotótrofos

Quimiotrofos

Fuente de principalde carbono

Autótrofos(Litótrofos)

Heterótrofos(Organotrofos)

Combinando las fuentes de energía y de carbono llegamos a la clasificación nutricional de los organismos: “fotoautótrofos”, “fotoheterótrofos”, “quimioautótrofos” y “quimioheterótrofos”.

Modelos nutricionales de los Modelos nutricionales de los organismosorganismos

• Fotoautótrofos:Fotoautótrofos: Utilizan la luz como fuente de Utilizan la luz como fuente de energía y el dióxido de carbono como fuente principal energía y el dióxido de carbono como fuente principal de carbono.de carbono.

• El proceso por el cual transforman CO2 y H2O en El proceso por el cual transforman CO2 y H2O en azúcares y oxígeno se llama azúcares y oxígeno se llama fotosíntesisfotosíntesis (conversión (conversión de energía luminosa en energía química) y son las de energía luminosa en energía química) y son las moléculas de clorofila las que captan las luz. moléculas de clorofila las que captan las luz.

• Se transforma el CO2 atmosférico en compuestos de Se transforma el CO2 atmosférico en compuestos de carbono más reducidos, en principio azúcares (carbono más reducidos, en principio azúcares (fijación fijación de carbonode carbono).).

• El mantenimiento de la vida sobre la Tierra depende El mantenimiento de la vida sobre la Tierra depende de este reciclado del carbono así como de la de este reciclado del carbono así como de la producción de O2 (respiración aeróbica).producción de O2 (respiración aeróbica).

Modelos nutricionales de los Modelos nutricionales de los organismosorganismos

• La La Fijación de carbono Fijación de carbono requiere gran cantidad requiere gran cantidad de energía procedente del ATP y una fuente de de energía procedente del ATP y una fuente de electrones para llevar a cabo la reducción de electrones para llevar a cabo la reducción de CO2 hasta azúcares.CO2 hasta azúcares.

• Tanto la producción de ATP como la liberación Tanto la producción de ATP como la liberación de electrones forman parte de una serie de de electrones forman parte de una serie de reacciones movidas por la luz y llamadas en reacciones movidas por la luz y llamadas en conjuntoconjunto reacciones de fase luminosa. reacciones de fase luminosa.

• Los electrones empleados para reducir el CO2 Los electrones empleados para reducir el CO2 provienen del NADPH.provienen del NADPH.

Modelos nutricionales de los Modelos nutricionales de los organismosorganismos

• En las En las reacciones de fase oscura*reacciones de fase oscura* se se utiliza la energía del ATP y los electrones utiliza la energía del ATP y los electrones del NADPH para incorporar CO2 a los del NADPH para incorporar CO2 a los azúcares.azúcares.

• Constituyen una ruta cíclica compleja Constituyen una ruta cíclica compleja llamada ciclo de llamada ciclo de Calvin-Benson, Calvin-Benson, en la en la que se fija el CO2.que se fija el CO2.

* * Reciben este nombre porque no requieren directamente Reciben este nombre porque no requieren directamente luz para que tengan lugar.luz para que tengan lugar.

Modelos nutricionales de los Modelos nutricionales de los organismosorganismos

El ciclo tiene que transcurrir tres veces, fijándose tres moléculas de CO2 para obtener la síntesis neta de una molécula de azúcar de tres carbonos llamado gliceraldehido-3-fosfato. Estas tres vueltas del ciclo suponen el consumo de nueve moléculas de ATP y seis moléculas de NADPH. Para fabricar una molécula de glucosa (un azúcar de 6 carbonos) hacen falta en total seis vueltas del ciclo y consumir 6 CO2, 18 ATP y 12 NADPH.

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Versión simplificada del ciclo de Calvin-Benson para fabricar una molécula de glucosa.

Modelos nutricionales de los Modelos nutricionales de los organismosorganismos

• Fotoheterótrofos:Fotoheterótrofos: Utilizan la luz como Utilizan la luz como fuente de energía pero no pueden fuente de energía pero no pueden convertir el dióxido de carbono en convertir el dióxido de carbono en azúcares; en su lugar utilizan compuestos azúcares; en su lugar utilizan compuestos orgánicos como fuente de carbono. orgánicos como fuente de carbono.

• Entre estos compuestos orgánicos se Entre estos compuestos orgánicos se incluyen alcoholes, ácidos grasos, otros incluyen alcoholes, ácidos grasos, otros ácidos orgánicos e hidratos de carbono. ácidos orgánicos e hidratos de carbono.

• Son anoxigénicos.Son anoxigénicos.

Modelos nutricionales de los Modelos nutricionales de los organismosorganismos

• Quimioautótrofos:Quimioautótrofos: Utilizan compuestos Utilizan compuestos inorgánicos como fuente de energía y dióxido de inorgánicos como fuente de energía y dióxido de carbono como principal fuente de carbono. Las carbono como principal fuente de carbono. Las fuentes inorgánicas de energía para estos fuentes inorgánicas de energía para estos organismos incluyen:organismos incluyen:

• Sulfuro de hidrógeno (SH2) para Sulfuro de hidrógeno (SH2) para BeggiatoaBeggiatoa• Azufre (S) para Azufre (S) para ThiobacillusThiobacillus• Amoniaco (NH3) para Amoniaco (NH3) para NitrosomonasNitrosomonas• Nitritos (NO2) para Nitritos (NO2) para NitrobacterNitrobacter • Hidrogeno gaseoso (H2) para Hidrogeno gaseoso (H2) para HydrogenomonasHydrogenomonas• Hierro (FeHierro (Fe²+) para ²+) para Thiobacillus ferrooxidansThiobacillus ferrooxidans

→ → La energía derivada de la oxidación de estos La energía derivada de la oxidación de estos compuestos inoránicos se almacena finalmente en compuestos inoránicos se almacena finalmente en el ATP, que se produce inmediatamente el ATP, que se produce inmediatamente fosforilación oxidativa.fosforilación oxidativa.

Modelos nutricionales de los Modelos nutricionales de los organismosorganismos

• Quimioheterótrofos: Quimioheterótrofos: Ambas fuentes, la de Ambas fuentes, la de energía y la de carbono, suelen ser el mismo energía y la de carbono, suelen ser el mismo compuesto orgánico. Por tanto se clasifican compuesto orgánico. Por tanto se clasifican atendiendo a su respectivo compuesto (fuente):atendiendo a su respectivo compuesto (fuente):

- Los saprofitos; viven en materia orgánica muerta.- Los saprofitos; viven en materia orgánica muerta.

- Los parásitos; obtienen nutrientes de un huésped - Los parásitos; obtienen nutrientes de un huésped vivo.vivo.

• La mayoría de las bacterias y todos los hongos, La mayoría de las bacterias y todos los hongos, protozoos y animales, son quimioheterótrofos.protozoos y animales, son quimioheterótrofos.