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Metabolismo microbianoIngeniera QumicaMicrobiologa Industrial

Ral DomnguezLourdes ImasJessica Ortz Santiago Peralta 01/09/2014IntroduccinLa vida se sostiene por el atrapamiento y uso de la energa, un proceso que es posible gracias a la accin de las enzimas. Las rutas metablicas pueden ser tratadas como una secuencia de enzimas actuando como una unidad, en la que cada enzima utiliza como sustrato un producto de la reaccin precedente.Las clulas se desorganizan y mueren en ausencia de un control adecuado del metabolismo, y la regulacin es tan importante as como la obtencin y utilizacin eficiente de energa. Gran parte de la energa obtenida por los microorganismos se utiliza en biosntesis o anabolismo. Una clula microbiana, debe fabricar diversos tipos de molculas para satisfacer sus necesidades y con ello las necesidades de organismos ms complejos dependientes de su sistema.

Metabolismo

El metabolismo es el conjunto de reacciones qumicas que tienen lugar en una clula, y puede dividirse en catabolismo, reacciones de degradacin de compuestos complejos, y anabolismo, sntesis de compuestos complejos.

Metabolismo Microbiano Conjunto de procesos por los cuales un microorganismo obtiene la energa y los nutrientes (carbono, por ejemplo) que necesita para vivir y reproducirseLos microorganismos utilizan numerosos tipos de estrategias metablicas distintas y las especies pueden a menudo distinguirse en base a estas estrategias.Las caractersticas metablicas especficas principal criterio para determinar papel ecolgico y su utilidad industrial.Formar las subunidades que luego sern utilizadas en la sntesis de macromolculas. Proporcionar la energa necesaria para todos aquellos procesos que la requieran como transporte activo, movilidad, biosntesis, etc.Propiciar las vas reproductivas del microorganismo. Continuar la cadena trfica fundamental de la biologa posterior al metabolismo celular

Funciones del metabolismo Microbiano Metabolismo BacterianoEl metabolismo de las bacterias tiene muchos procesos en comn con el metabolismo de las clulas eucariotas, pero algunos procesos son exclusivos del metabolismo bacteriano. Algunas particularidades del metabolismo bacteriano son:El metabolismo de la bacteria est adaptado para el crecimiento veloz y transcurre entre 10 y 100 veces ms rpido que en las clulas humanas.La bacteria tiene mayor versatilidad en cuanto al tipo de nutrientes que puede utilizar para obtener energa.No estn limitadas al slo uso del O2, pueden recurrir a otros oxidantes.Existe una gran diversidad de requerimientos nutricionales entre bacterias debido a que ellas no poseen todos los caminos biosintticos.El cuerpo de los procariotas es muy sencillo, lo que le permite sintetizar macromolculas por mecanismos menos complicados que los que utilizan las clulas eucariotas.Algunos procesos biosintticos son nicos de las bacterias, como los que conducen a la sntesis de murena, cidos teicoicos y lipopolisacridos.

Energa y trabajo

Trabajo qumico de biosntesis. Trabajo mecnico.Trabajo de transporte.

Leyes de la termodinmica

La primera ley establece que la energa ni se crea ni se destruye.La segunda ley de la termodinmica establece que los cambios tienen lugar de tal forma que la aleatoriedadEnerga libre y reacciones

Reacciones de oxidacin-reduccin y transportadores de electrones.

Enzimas

Son protenas globulares catalticas, catalizan reacciones especficas. Estn constituidas por un componente proteico, la apoenzima, y un cofactor no proteico

Mecanismo de las reacciones enzimticas

Las enzimas aceleran las reacciones al reducir la energa de activacin, por la unin de los sustratos (reactivos) a los centros activos catalticos. La enzima puede interactuar con un sustrato de dos formas. Puede ser rgida o cambiar su forma cuando interacta con el sustrato

Efecto del ambiente sobre la actividad enzimtica

Las enzimas tienen valores ptimos de pH y temperatura. La desnaturalizacin, fenmeno por el cual la estructura de la enzima se altera y sta pierde su actividad, puede estar causado por valores extremos del pH y la temperatura.

Inhibicin enzimtica

Puede reducirse por inhibidores competitivos y no competitivos. Naturaleza y significado de la regulacin metablicaLa localizacin de los metabolitos y las enzimas en diferentes partes de la clula, proceso denominado canalizacin metablica, influye en la actividad de las rutas. Control de la actividad enzimtica

Modificacin covalente de las enzimasCada ruta tiene al menos una enzima limitante que cataliza la reaccin ms lenta, limitante de la velocidad de la ruta. El primer paso en una ruta suele ser una reaccin limitante catalizada por una enzima reguladora.

Liberacin y conservacin de energa

Cuando el aceptor de electrones es exgeno, el proceso metablico se llama respiracin y puede clasificarse en aerobia, cuando el aceptor final de electrones es el oxgeno, y anaerobia, cuando el aceptor final el nitrato, sulfato, dixido de carbono, fumarato u otros. La respiracin requiere la actividad de una cadena de transporte de electrones.Respiracin aerobia

Puede dividirse en 3 etapas:

Etapa 1: las molculas nutrientes de mayor tamao (protenas, polisacridos y lpidos) son hidrolizadas para dar lugar a sus constituyentesEtapa 2: los productos de la primera etapa son degradados a unas pocas molculas ms sencillas, como piruvato y acetil-coenzimaEtapa 3: el carbono parcialmente oxidado entra en el ciclo de los cidos tricarboxlicos para ser oxidado completamente hasta CO2, con lo que se produce ATP, NADH y FADH2. Va glucoltica: Va de Embden Meyerhof

Descarboxilacin oxidativa

En este proceso, el piruvato pierde un carbono en forma de CO2 y los dos carbonos restantes se unen a la coenzima A mediante un enlace tiol (enlace de alta energa).Ciclo de los cidos tricarboxlicos, del cido ctrico o de Krebs.Esta es la etapa final del catabolismo en la mayora de las clulas aerobias. Se oxida acetil-CoA para formar CO2 y se produce un GTP, tres NADH y un FADH2 por cada acetil-CoA.

La respiracin aerobia en eucariotas puede producir un mximo de 38 ATP.

Respiracin anaerobia

La respiracin anaerobia es un proceso de produccin de ATP mediante trasporte electrnico en el que el aceptor terminal de electrones es una molcula exgena diferente del O2. Los aceptores ms comunes son nitrato. Sulfato y CO2. FermentacinDurante la fermentacin, se usa un aceptor de electrones endgeno para reoxidar el NADH generado por el catabolismo de glucosa a piruvato. El resultado es lactato o un producto reducido.

La fermentacin puede ser:Fermentacin alcohlicaEl piruvato se descarboxila a acetaldehdo, el cual es reducido a etanol por la enzima alcohol deshidrogenasa, con NADH como donador de electrones.Fermentacin acidolctica.Se reduce el piruvato a lactato. Los microbios fermentadores pueden clasificarse en: Homolcticos: usan la va de Embden Meyerhof y reducen directamente casi todo su piruvato a lactato con la enzima lactato deshidrogenasa. Heterolcticos: forman cantidades sustanciales de otros productos adems de lactato, como etanol y CO2.

Catabolismo de carbohidratos

Los microorganismo catabolizan muchos carbohidratos extracelulares. Los monosacridos son introducidos en la clula y fosforilados; los disacridos pueden ser fragmentados en monosacridos mediante hidrlisis o fosforlisis.Los polisacridos externos son degradados mediante hidrlisis, y los productos son absorbidos. El glucgeno y el almidn intracelulares son convertidos en glucosa-1-fosfato mediante fosforolisis.

Catabolismo de lpidos

Los microorganismos quimioorgantrofos usan frecuentemente los lpidos como fuentes de energa. Los triglicridos son unas fuentes comunes de energa. Pueden ser hidrolizados a glicerol y cidos grasos por lipasas. El glicerol es fosforilado, oxidado a dihidroxiacetona-fosfato y catabolizado en la va de Embden Meyerhof.

Catabolismo de protenas y aminocidos

Las protenas son hidrolizadas para dar aminocidos, los cuales son desaminados; sus esqueletos carbonados pueden ser convertidos en piruvato, acetil-CoA o un intermediario del ciclo de Krebs, donde finalmente es oxidado para liberar energa.

Quimiolitotrofa

Los quimiolittrofos sintetizan ATP mediante la oxidacin de compuestos inorgnicos, generalmente hidrgeno, compuestos reducidos de nitrgeno o azufre o Fe3+, con una cadena de transporte de electrones, y O2 como aceptor de electrones.

Fototrofa

Los fottrofos sintetizan ATP a partir de la energa de la luz que capturanGeneralmente los organismos fottrofos reducen e incorporan CO2 La fotosntesis es uno de los procesos metablicos ms importantes en la TierraProporciona a los organismos fotosintticos ATP y poder reductor para sintetizar el material orgnico necesario para el crecimiento.

Uso de la energa en la biosntesis

La mayora de las enzimas glucolticas participan tanto en la sntesis como en el catabolismo de la glucosa. Por el contrario, los cidos grasos se sintetizan a partir de acetil-CoA y malonil-CoA mediante una va bastante diferente a la de la p-oxidacin de los cidos grasos.Las rutas catablicas y anablicas pueden diferenciarse en las enzimas, la regulacin, la localizacin intracelular y el uso de cofactores y transportadores nuclesido difosfato. Aunque muchas enzimas de las rutas anfiblicas participan en el catabolismo y en el anabolismo, algunas enzimas slo participan en uno de los dos procesos.

Principios que regulan la biosntesisEl metabolismo biosinttico parace seguir ciertos patrones o estar basado en unos pocos principios generales Una clula microbiana contiene grandes cantidades de protenas, cidos nucleicos y polisacridos, las cuales son macromolculas o molculas de gran tamao, polmeros de unidades ms pequeas unidas entre s. A menudo, la clula economiza materias y energa adicionales mediante la utilizacin de muchas de las mismas enzimas para el catabolismo y el anabolismo. Aunque muchas enzimas de las rutas antiblicas participan en actividades catablicas y anablicas, algunos pasos estn catalizados por dos enzimas diferentes.Para sintetizar molculas de forma eficaz, las vas anablicas deben operar de forma irreversible en la direccin de la biosntesis.En los organismos eucariticos, las rutas biosintticas se localizan a menudo en compartimientos celulares distintos de los compartimientos de las rutas catablicas correspondientes Las rutas anablica y catablica a menudo utilizan cofactores diferentes. Las oxidaciones catablicas suelen producir NADH, un sustrato del transporte de electrones. Por el contrario, si durante la biosntesis se necesita un reductor, el dador suele ser NADPH en lugar de NADH.Fijacin fotosinttica del CO2Casi todos los autotrofos microbianos incorporan CO2 mediante una ruta metablica especial que recibe diversos nombres: ciclo de Calvin, ciclo de Calvin-Benson o ciclo reductor de las pentosas fosfato. El ciclo de Calvin tiene lugar en el estroma del cloro-plasto de autotrofos microbianos eucariticos. Resulta ms fcil comprender el ciclo si se divide en tres fases: carboxilacin, reduccin y regeneracin.

Ciclo de Calvin

Sntesis de azcares y polisacridos

La sntesis de glucosa a partir de precursores diferentes de los hidratos de carbono recibe el nombre de gluconeognesis. Tres pasos glucolticos son irreversibles en la clula: 1) la conversin de fosfoenolpiruvato en piruvato, 2) la formacin de fructosa1,6-bisfosfato a partir de fructosa 6-fosfato, y 3) la fosforilacin de la glucosa.Asimilacin ele fsforo, azufre y nitrgeno inorgnicos

Adems de carbono y oxgeno, los microorganismos tambin necesitan grandes cantidades de fsforo, azufre y nitrgeno para la biosntesis. Estos elementos son asimilados, o incorporados a molculas inorgnicas, por vas diferentes

Asimilacin de fsforo

El fosfato inorgnico se incorpora mediante la formacin de ATP por una de tres formas posibles: 1) fotofosforilacin, 2) fosforilacin oxidativa y 3) fosforilacin a nivel de sustrato. La gluclisis constituye un ejemplo del ltimo proceso. El fosfato se une a gliceraldehdo 3-fosfato para formar 1,3-bisfosfoglicerato, el cual se utiliza a continuacin en la sntesis de ATPAsimilacin de azufre

Muchos microorganismos utilizan cistena y metionina, que se obtienen de fuentes externas o de reservas intracelulares de aminocidos. Este proceso se conoce como reduccin asimilatoria de sulfato para distinguirla de la reduccin desasimilatoria de sulfato que se produce cuando el sulfato acta como aceptor de electrones durante la respiracin anaerobia.

La reduccin de sulfato consiste en la activacin de sulfato mediante la formacin de fosfoadenosina 5'- fosfosulfato, seguida de la reduccin del sulfato. El sulfato se reduce a sulfito (SCV") y despus a H2S.

Asimilacin de nitrgeno

Dado que el nitrgeno es un componente principal de las protenas, los cidos nucleicos, las coenzimas y muchos otros componentes celulares, la capacidad de la clula para asimilar el nitrgeno inorgnico es extraordinariamente importante.Aunque el gas nitrgeno abunda en la atmsfera, pocos microorganismos pueden reducir este gas y utilizarlo como fuente de nitrgeno; Incorporacin de amonio

Una vez sintetizada la alanina o el glutamato, el grupo a-amino recin formado puede transferirse a otros esqueletos carbonados mediante reacciones de transaminacin. La ruta principal para la incorporacin del amonio es la formacin de glutamato a partir de occetoglutarato Ruta de asimilacin del amonio

Reduccin asimilatoria de nitrato

El primer paso en la asimilacin de nitrato es su reduccin a nitrito por accin de la nitrato reductasa, una enzima que contiene FAD y molibdeno. La fuente de electrones es el NADPH.el nitrito se reduce a amonio mediante una serie de adiciones de dos electrones catalizada por la nitrito reductasa y, posiblemente, por otras enzimas. A continuacin, el amonio se incorpora a aminocidos por las rutas anteriormente descritas.

Fijacin de nitrgeno

La fijacin de nitrgeno se produce en: 1) bacterias de vida libre (p. ej., Azotobacter, Klebsiella, Clostridium y Methanococcus), 2) bacterias que viven en asociacin simbitica con plantas tales como las leguminosas {Rhizobium), y 3) cianobacterias {Nostoc y Anabaena). Los electrones provienen de la ferredoxina, la cual se ha reducido por diversos mecanismos: durante la fotosntesis en las cianobacterias, por procesos respiratorios en los fijadores de nitrgeno aerbicos, o durante la fermentacin en las bacterias anaerobias.

Sntesis de aminocidos

Relacin entre las rutas biosintticas de los aminocidos y las rutas anfiblicas.

Reacciones anapierticasLas reacciones de fijacin de CO2 anaplerticas simplemente reponen los productos intermedios del ciclo de los ATC, manteniendo as el equilibrio metablicoEl ciclo del glioxilato es en realidad una modificacin del ciclo de los ATC. Se evitan las dos descarboxilaciones de la ltima va ), permitiendo la conversin de acetil-CoA para formar oxaloacetato sin prdida de carbono de la acetil-CoA en forma de CO2. Sntesis de purinas, pirimidinas y nucletidosLa biosntesis de purinas y pirimidinas es fundamental para todas las clulas, ya que estas molculas se utilizan en la sntesis de ATP, cofactores, cido ribonucleico (RNA), cido desoxirribonucleico (DNA) y otros componentes celulares importantes. Una base prica o pirimidnica unida a un azcar pentosa (ribosa o desoxirribosa) forma un nuclesido.Biosntesis de purinas

Debido a que la ruta comienza con la ribosa 5-fosfato y a que el esqueleto purinico est construido sobre este azcar, el primer producto purinico de la ruta es el nucletido cido inosnico, no una base purnica libre.Una vez formado el cido inosnico, dos vas relativamente cortas sintetizan adenosina monofosfato y guanosina monofosfato y producen nuclesidos difosfato y trifosfato por transferencia de grupos fosfato desde el ATP.

Biosntesis de pirimidinas

Comienza con el cido asprtico y el carbamoil fosfato, una molcula de alta energa que se sintetiza a partir de CO2 y amonaco. Despus de la sntesis del esqueleto pirimidnico, se forma un nucletido.En la segunda etapa de la sntesis, se elimina el grupo p-ceto derivado de la reaccin de condensacin inicial en un proceso de tres pasos en el que se producen dos reducciones y una deshidratacinSntesis del peptidoglicanoEs especialmente vulnerable a la alteracin por agentes antimicrobianos. La inhibicin de cualquier etapa del proceso debilita la pared celular y puede causar lisis osmtica.

Patrones de formacin de la pared celular

Una clula bacteriana tiene que aadir ms peptidoglicano a su pared celular de manera precisa y regulada manteniendo al mismo tiempo la forma y la integridad de la pared en presencia de una presin osmtica alta. La digestin limitada del peptidoglicano es realizada por enzimas conocidas como autolisinas. (a) Estreptococos y algunos otros cocos Gram positivos, (b) Sntesis en bacterias con forma de bastn.