Metabolismo Microbiano PDF

METABOLISMO MICROBIANO Los organismos pueden tomar y convertir la energía del medio que les rodea a una forma adecuada para sus procesos biológicos Las células realizan tres tipos principales de trabajo: Trabajo Químico: Implica la síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas...

METABOLISMO MICROBIANO Los organismos pueden tomar y convertir la energía del medio que les rodea a una forma adecuada para sus procesos biológicos Las células realizan tres tipos principales de trabajo: Trabajo Químico: Implica la síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas más simples. Esto incluye la construcción de componentes celulares como proteínas, ácidos nucleicos y lípidos. Trabajo de Transporte: Consiste en el movimiento de sustancias a través de las membranas celulares. Esto incluye el transporte activo de iones y moléculas contra sus gradientes de concentración. Trabajo Mecánico: Involucra el movimiento físico de la célula o de estructuras dentro de la célula, como la contracción de músculos o el movimiento de cilios y flagelos. Las reacciones celulares no ocurren espontáneamente; requieren un aporte de energía. La célula obtiene esta energía principalmente a través de la hidrólisis del ATP (adenosín trifosfato). ATP y Energía Hidrólisis del ATP: La ruptura de la molécula de ATP en ADP (adenosín difosfato) y un fosfato inorgánico libera energía. Incremento del Desorden: La liberación de energía del ATP aumenta el desorden (entropía) en el sistema, lo que compensa el ordenamiento necesario para la formación de componentes celulares. El incremento del desorden por la ruptura del ATP permite que las reacciones celulares ocurran al proporcionar la energía necesaria para superar las barreras energéticas. Este balance entre el desorden y el orden es crucial para mantener las funciones biológicas. Metabolismo es conjunto de reacciones químicas dentro de una célula Obtener energía química para realizar distintas funciones Transformar, Formar y degradar moléculas, nutrientes exógenos La célula toma nutrientes del ambiente y los utiliza para producir energía (ATP) Anabolismo y catabolismo  ATP La molécula de ATP está compuesta por tres partes Cuando el ATP se hidroliza, el fosfato terminal se separa, principales: formando ADP (adenosín difosfato) y un fosfato inorgánico (Pi). Esta reacción libera una cantidad significativa de Adenina: Una base nitrogenada. energía que la célula puede utilizar para realizar trabajo Ribosa: Un azúcar de cinco carbonos. biológico. Tres Grupos Fosfato: Unidos en una cadena. Los enlaces entre los grupos fosfato son conocidos Reacción de Hidrólisis como enlaces de alta energía. La energía almacenada en estos enlaces se libera cuando el ATP+H2O→ADP+Pi+Energía ATP se hidroliza. COMPUESTOS DE ALTA ENERGIA Los compuestos de alta energía son moléculas que almacenan una cantidad significativa de energía en sus enlaces químicos. Esta energía puede ser liberada rápidamente cuando estos enlaces se rompen, lo que la hace disponible para realizar trabajo celular. Actúan como baterías moleculares, almacenando la energía liberada en las reacciones metabólicas para su uso posterior. La energía almacenada en estos enlaces puede ser transferida a otras moléculas, impulsando reacciones químicas que de otra manera no serían espontáneas. Permiten acoplar reacciones exergónicas (liberadoras de energía) con reacciones endergónicas (que requieren energía), permitiendo que los procesos celulares ocurran de manera coordinada.  COMPUESTOS DE ALTA ENERGIA Fosfoenolpiruvato (PEP): Contiene un enlace anhídrido entre un grupo fosfato y un doble enlace carbono- carbono. Este enlace es de alta energía debido a la inestabilidad del enol fosfato. Adenosina trifosfato (ATP): La molécula universal de energía en las células. Contiene dos enlaces anhídridos entre los grupos fosfato. Al romperse estos enlaces, se libera una gran cantidad de energía. 1,3-Bisfosfoglicerato: Contiene un enlace anhídrido entre dos grupos fosfato. Acetil-CoA: Contiene un enlace tioéster entre un grupo acetilo y la coenzima A. Este enlace es de alta energía y es crucial en el metabolismo de los lípidos y carbohidratos. Acetil fosfato: Contiene un enlace anhídrido entre un grupo fosfato y un grupo acetilo.  NECESIDADES METABOLICAS Elemento esencial Fuente principal Función en el metabolismo Carbono (C) Compuestos orgánicos, CO₂ Componente estructural fundamental de todas las biomoléculas (carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos). Forma el esqueleto de las moléculas orgánicas. Oxígeno (O) O₂, H₂O, compuestos orgánicos Esencial para la respiración celular, componente del agua y de muchas moléculas orgánicas. Hidrógeno (H) H₂, H₂O, compuestos orgánicos Componente estructural del agua y de todas las moléculas orgánicas. Nitrógeno (N) NH₃, NO₃⁻, N₂, compuestos orgánicos Componente esencial de los aminoácidos (constituyentes de las proteínas), ácidos nucleicos y muchas otras biomoléculas. Azufre (S) SO₄²⁻, H₂S, S°, compuestos de azufre orgánico Componente de aminoácidos como cisteína y metionina, así como de coenzimas importantes como la biotina y el ácido lipoico. Esencial para la estructura de muchas proteínas. Fósforo (P) HPO₄²⁻ Componente fundamental de los ácidos nucleicos (ADN y ARN), fosfolípidos (membranas celulares), ATP (molécula energética) y otros compuestos fosforilados. Potasio (K) K⁺ Principal catión intracelular, cofactor de muchas enzimas (como la piruvato cinasa) y juega un papel importante en el mantenimiento del potencial de membrana. Magnesio (Mg) Mg²⁺ Cofactor de muchas enzimas, componente de las paredes celulares, membranas y ribosomas. Esencial para la estabilidad de los ribosomas y la replicación del ADN. Calcio (Ca) Ca²⁺ Componente de exoenzimas (amilasas, proteasas) y de las paredes celulares, principal componente de las estructuras esqueléticas en algunos organismos. Relación entre el catabolismo y anabolismo. El catabolismo comprende procesos que albergan energía liberada durante la desintegración de compuestos, utilizándola para sintetizar trifosfato de adenosina (ATP); además, proporciona los metabolitos precursores utilizados en la biosíntesis. El anabolismo, o biosíntesis, comprende procesos que utilizan ATP y metabolitos precursores para sintetizar y forma subunidades de macromoléculas que componen la célula. CATABOLISMO El catabolismo este compuesto por una serie de procesos metabólicos en los que las moléculas complejas se descomponen en moléculas más simples. Este proceso es crucial para liberar la energía necesaria para diversas funciones celulares. Degradación de las moléculas Las moléculas grandes como carbohidratos, lípidos y proteínas se descomponen en sus componentes más simples: monosacáridos, ácidos grasos y aminoácidos, respectivamente. Este proceso ocurre a través de reacciones químicas específicas, como la hidrólisis y la oxidación. CATABOLISMO La liberación de energía durante este proceso, se liberan electrones que son capturados por moléculas transportadoras de electrones como NAD+ y FAD, convirtiéndose en NADH y FADH2. Estos electrones son utilizados en la cadena de transporte de electrones para producir ATP, la principal moneda energética de la célula. Parte de la energía liberada durante el catabolismo se almacena en forma de ATP. La esta energía atrapada puede ser utilizada en el anabolismo o ser liberada como calor ANABOLISMO Es el procesos metabólicos en los que las células sintetizan moléculas complejas a partir de moléculas más simples. Este proceso es esencial para el crecimiento, la reparación y el mantenimiento de las células. Las células construyen moléculas grandes y complejas como proteínas, ácidos nucleicos (ADN y ARN), polisacáridos (como el glucógeno) y lípidos (como las membranas celulares) a partir de precursores más simples. Por ejemplo, los aminoácidos se ensamblan en proteínas, y los nucleótidos se ensamblan en ácidos nucleicos. Muchas de las moléculas sintetizadas durante el anabolismo forman los componentes estructurales de la célula, como las membranas celulares, el citoesqueleto y las paredes celulares de las bacterias. ANABOLISMO El anabolismo es un proceso que consume energía. La energía necesaria para estas reacciones proviene del ATP, que se genera durante el catabolismo. Además de energía, el anabolismo a menudo requiere poder reductor en forma de NADPH, que proporciona los electrones necesarios para las reacciones de reducción. La energía del ATP se utiliza para unir las moléculas simples en estructuras más complejas. Por ejemplo, la síntesis de proteínas requiere energía para formar enlaces peptídicos entre aminoácidos. La síntesis de ácidos nucleicos requiere energía para formar enlaces fosfodiéster entre nucleótidos. ENERGI A ENERGI A  RESPIRACION La respiración celular se divide en diferentes procesos y sigue distintas rutas dependiendo de la presencia o ausencia de oxígeno. Ambos tipos de respiración comienzan con la glucólisis. En presencia de oxígeno: respiración aeróbica, En ausencia de oxígeno: Respiración anaeróbica. GENERACION DE ENERGIA Todo organismo en este planeta genera su energía utilizando uno de los tres procesos: Fosforilación a nivel de sustrato Fosforilación oxidativa Foto fosforilación FOSFORILACION A NIVELDE SUSTRATO Es una reacción química que se puede definir como la producción de ATP a partir de ADP Combina una transformación enzimática de un sustrato, reacción en la que no está implicada la fosforilación oxidativa ni una ATP sintasa Generalmente ocurre es que un sustrato de alta energía fosfatado cede su fosfato de alta energía al ADP. Síntesis de ATP acoplada directamente a la degradación de un sustrato orgánico de alta energía  FOSFORILACION A NIVELDE SUSTRATO Comenzamos con una molécula orgánica, como el fosfoenolpiruvato (PEP), que contiene un enlace fosfato de alta energía. Este enlace almacena una gran cantidad de energía química. Después se utiliza una enzima específica, en este caso el piruvato quinasa, reconoce el sustrato y se une a él, la enzima cataliza una reacción en la que el grupo fosfato de alta energía del PEP se transfiere directamente al ADP. Al recibir el grupo fosfato, el ADP se convierte en ATP, almacenando así la energía liberada en la reacción. El PEP, al perder su grupo fosfato, se convierte en piruvato, una molécula con menor energía. TRANSPORTE DE ELECTRONES El transporte de electrones es importante en respiración aerobia, respiración anaerobia, quimiolitótrofa y fotosíntesis Respiración Aerobia Proceso en el que los electrones se transfieren desde moléculas de alta energía (como NADH y FADH2) a través de una cadena de transporte de electrones, finalmente reduciendo el oxígeno a agua. Ubicación: Eucariotas: Ocurre en la membrana interna de las mitocondrias. Procariotas: Ocurre en la membrana plasmática. Respiración Anaerobia Similar a la respiración aerobia, pero utiliza aceptores de electrones distintos del oxígeno, como nitratos, sulfatos o carbonatos. Ubicación: Eucariotas: Menos común, pero puede ocurrir en algunas mitocondrias especializadas. Procariotas: Ocurre en la membrana plasmática. FOSFORILACION OXIDATIVA Está compuesta de una serie de transportadores de electrones que operan conjuntamente para transferir electrones. Un proceso en el cual se produce ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico, utilizando la energía liberada por la transferencia de electrones a través de una serie de transportadores de electrones. Donación de Electrones: El NADH y FADH2 donan electrones a la CTE y oxígeno (O2) actúa como el aceptor final de electrones, combinándose con protones (H+) para formar agua (H2O). Generación de Gradiente de Protones: A medida que los electrones se transfieren a través de la CTE, los protones (H+) se bombean desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana, creando un gradiente electroquímico. Síntesis de ATP: ATP sintasa esta enzima utiliza el gradiente de protones para sintetizar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. Los protones regresan a la matriz mitocondrial a través de la ATP sintasa, impulsando la producción de ATP. TRANSPORTADORES DE ELECTRONES (CTE) NAD+ (Dinucleótido de Adenina Nicotinamida) NADP+ Aceptan dos electrones (H+) y un protón de un donador, un segundo protón es liberado FAD (Dinucleótidode adeninaflavina) FMN (Mononucleótidode flavina) Acepta dos electrones y dos protones en el complejo sistema de anillos CoQ(coenzymaQ o ubiquinona) Citocromos(a,b,c,d) ProteinasFeS Citocromos y otros transportadores utilizan átomos de Fe para transportar electrones por reacciones de oxido- reducción FOSFORILACION OXIDATIVA La cadena de transporte de electrones en algunas bacterias se asemeja a la mitocondrial, pero frecuentemente son muy diferentes: Difieren en sus transportadores (Citocromos) Pueden ser extensivamente ramificadas Los electrones frecuentemente pueden entrar por varios puntos y llegar a diferentes aceptores terminales Embden-Meyerhof- Parnas(EMP o Glucólisis) Es la vía más común para la degradación de la glucosa a piruvato en dos etapas del catabolismo Se encuentra en la mayoría de los microorganismos y se realiza en presencia o ausencia de oxígeno Se localiza en la matriz citoplasmática de procariotas y eucariotas.  Embden-Meyerhof-Parnas(EMP o Glucólisis) La vía es dividida en dos etapas: la inicial de seis carbonos y la final de tres carbonos Etapa de seis carbonos La glucosa es fosforilada dos veces y convertida en fructosa-1,6-bifosfato Otros azucares pueden ser convertidos a glucosa-6-fosfato o fructosa-6-fosfato No se produce energía, sino que se agrega fosfato a la molécula de azúcar para posteriormente sintetizar ATP Embden-Meyerhof-Parnas(EMP o Glucólisis) Etapa de tres carbonos Se inicia con la enzima fructosa-1,6- bifosfato aldolasa que cataliza el rompimiento de la molécula de fructosa-1,6- bifosfato en gliceraldehido-3-fosfato y dihidroxiacetonafosfato Gliceraldehido-3-fosfato es convertido directamente en piruvato en cinco reacciones, mientras que la dihidroxiacetona fosfato tiene que ser convertida en gliceraldehido-3-fosfato Embden-Meyerhof-Parnas(EMP o Glucólisis) Cuatro moléculas de ATP son sintetizadas por fosforilación a nivel del sustrato porque la fosforilación del ADP está acoplada a la degradación exergónica de un sustrato de alta energía La producción neta de esta vía es: 2 moléculas de piruvato, 2 ATP y 2 NADH Pentosa Fosfato (PP o Hexosas monofosfato) Puede ser utilizada al mismo tiempo que la vía glucolítica o la Entner- Doudoroff Puede operar aeróbicamente como anaeróbicamente. Es muy importante en los procesos biosínteticos y de catabolismo La vía se inicia con la oxidación de glucosa-6-fosfato a 6-fosfogluconato y la oxidación de 6-fosfogluconato a la pentosa ribulosa-5-fosfato + CO2. NADPH es producido durante estas oxidaciones Pentosa Fosfato (PP o Hexosas monofosfato) La ribulosa-5-fosfato es convertida a una mezcla de azucares fosfato dos de tres y siete carbonos. Dos enzimas son únicas en esta vía y juegan un papel muy importante en estas transformaciones: Transcetolasa: Esta enzima cataliza la transferencia de una unidad de dos carbonos (un grupo cetosa) de una cetosa a una aldosa. En la imagen que proporcionas, la transcetolasa transfiere un fragmento de dos carbonos de la xilulosa-5-fosfato a la ribosa-5- fosfato, formando sedoheptulosa-7-fosfato y gliceraldehído-3-fosfato. Transaldolasa: Esta enzima cataliza la transferencia de una unidad de tres carbonos de una cetosa a una aldosa. En la imagen, la transaldolasa transfiere una unidad de tres carbonos de la sedoheptulosa-7-fosfato a la gliceraldehído-3-fosfato, formando fructosa-6- fosfato y eritrosa-4-fosfato. Pentosa Fosfato (PP o Hexosas monofosfato) Tres moléculas de glucosa-6-fosfato son convertidas en: 2 fructosa-6- fosfato, gliceraldehido-3-fosfato y 3 CO2 La vía de las pentosas fosfato tiene funciones catabólicas y anabólicas: NADPH producido durante la vía es utilizado como fuente de electrones para la reducción durante los procesos biosintéticos Fermentaciones de Entner-Doudoroff La vía de Entner-Doudoroff difiere de otras vías del metabolismo de carbohidratos por una deshidratación de 6-fosfogluconato seguido de una reacción de aldolasa que produce piruvato y triosa-fosfato (fi gura 6- 24A). La fermentación de heterolactato y algunas otras vías de fermentación dependen de una reacción de fosfocetolasa (fi gura 6- 24B) que produce el desdoblamiento fosforolítico de cetosafosfato para producir acetil fosfato y triosa-fosfato. El anhídrido ácido de acetil fosfato puede utilizarse para la síntesis de ATP o puede permitir la oxidación de dos moléculas de NADH a NAD+ como ocurre con la reducción hacia etanol. Fermentaciones de Entner-Doudoroff Las generalidades de las vías de Entner-Doudoroff Mediante estas vías se produce sólo una molécula de triosa-fosfato a partir de glucosa y, por lo tanto, la energía obtenida es baja. A diferencia de la vía de Embden- Meyerhof, las vías de Entner-Doudoroff y heterolactato producen sólo un sustrato neto de fosforilación de ADP por molécula de glucosa fermentada. ¿Por qué se han elegido vías alternativas para la fermentación de glucosa en el ambiente natural? Para responder esta pregunta deben tenerse en mente dos hechos. En primer lugar, en la competencia directa por la proliferación de dos especies microbianas, la tasa de aprovechamiento del sustrato puede ser más importante que la cantidad de crecimiento. En segundo lugar, la glucosa es uno de los varios carbohidratos encontrados por los microorganismos en su ambiente natural. Por ejemplo, las pentosas pueden ser fermentadas con bastante efi ciencia por la vía de heterolactato. Fermentaciones de Entner-Doudoroff La mayoría de las bacterias utilizan la glucólisis (vía Embden-Meyerhof-Parnas, o EMP) para obtener energía a partir de la glucosa, algunas bacterias, especialmente ciertas Gram negativas, han evolucionado para utilizar la vía ED. Bacterias como Pseudomonas, Rhizobium, Azotobacter, Agrobacterium y algunas otras Gram negativas utilizan la vía de Entner- Doudoroff. Aunque es menos común, algunas bacterias Gram positivas como Enterococcus faecalis también pueden utilizar esta vía.