T5 - METABOLISMO MICROBIANO Flashcards
METABOLISMO DE LOS QUIMIOHETERÓTROFOS
- FUENTE DE ENERGÍA (CATABOLISMO): oxidación de sustancias orgánicas.
- FUENTE DE CARBONO (ANABOLISMO): carbono orgánico (las mismas moléculas sirven de fuente
de energía y de carbono: azúcares, aa, lípidos, etc.).
La molécula de ATP se forma a partir de ADP al agregarse a este un grupo fosfato. Este enlace es de alta energía, y se puede romper (HIDROLIZAR) para liberar energía utilizable por la célula (se consume energía para formar ATP, y el consumo de ATP aporta la energía necesaria para la célula).
El hecho de añadir un grupo fosfato a un compuesto químico se conoce como: FOSFORILACIÓN. Los organismos quimiorganotrofos utilizan dos tipos de fosforilación del ADP para la obtención de ATP:
- Fosforilación a nivel de sustrato.
- Fosforilación oxidativa.
FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO
En este proceso la generación de ATP es consecuencia de la transferencia directa de un enlace fosfato rico en energía desde un compuesto fosforilado al ADP, en una reacción enzimática catalizada por un enzima que genera un compuesto defosforilado y ATP.
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
El ATP se genera como consecuencia de un transporte de electrones (cadena respiratoria o de transporte electrónico) en el que ocurre una transferencia de electrones desde cofactores orgánicos reducidos (NADH y
FADH) a las moléculas transportadoras.
Estos electrones van pasando de unos transportadores a otros (reacciones redox,
termodinámicamente favorables) a otros, hasta el aceptor final de electrones (O2 u otros), que se reduce. Este proceso tiene lugar en la membrana plasmática de las bacterias y en la membrana interna mitocondrial en eucariotas. La secuencia de transportadores se llama cadena de transporte electrónico (cadena respiratoria). La transferencia de electrones libera energía que se utiliza para
generar ATP a partir de ADP.
- Si el aceptor final de electrones es el O2: Respiración aerobia.
- Si el aceptor es distinto del oxígeno: Respiración anaerobia.
RESPIRACIÓN
En la respiración la fuente de C se oxida completamente a CO2 (forma más oxidada del C) y los electrones van a la cadena de transporte electrónico para formar ATP por fosforilación oxidativa. Los e- son cedidos a un aceptor final que es el oxígeno (respiración aerobia) u otro diferente (respiración anaerobia).
Una de las moléculas más utilizadas como fuente de carbono es la glucosa, aunque pueden ser otras (otros azúcares, aminoácidos, ácidos grasos…).
- Glucolisis ⭢ Formación de ácido pirúvico a partir de glucosa.
- Descarboxilación del ácido pirúvico ⭢ Acetil-CoA.
- Ciclo de Krebs
RESPIRACIÓN AEROBIA DE LA GLUCOSA
GLUCÓLISIS: La glucosa se oxida parcialmente al ácido pirúvico (piruvato) CH3-CO-COOH (2
moléculas). Los electrones reducen al cofactor redox NAD+ a NADH (dos moléculas de cofactor reducido por cada molécula de glucosa) y se obtienen 2 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa que se
oxida (fosforilación a nivel de sustrato).
El piruvato se descarboxila (CO2) y se forma Acetil-CoA(CH3 CO CoA), que entra en el ciclo de Krebs. Se genera una molécula de cofactor reducido (NADH).
En el Ciclo de Krebs los átomos de carbono de acetilo se oxidan y por cada molécula de acetil-CoA se liberan dos moléculas de CO2 y se produce NADH y FADH2.
La glucosa se ha oxidado completamente a 6 moléculas de CO2, y los electrones han reducido a los cofactores NADH y FADH2 (cofactores reducidos) que se regeneran a la forma oxidada cediendo los electrones a la cadena respiratoria o CTE.
CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO
Mediante reacciones redox se transfieren los electrones del NADH y FADH2 a los componentes de la CTE y hasta el aceptor final. De esta forma se regeneran todos los cofactores (NAD+ y FAD) a la forma oxidada que se precisan para seguir oxidando moléculas de glucosa para obtener más energía, ya que la cantidad de cofactores es limitada y han de regenerarse.
En células eucariotas la CTE se encuentra en la membrana interna de la mitocondria, y en las bacterias en la membrana plasmática. En las bacterias, la cadena de transporte electrónico puede ser diferente según las bacterias y diferente a los eucariotas. Pero todas funcionan de manera similar.
Los e- son transferidos desde el transportador con menor afinidad hasta los de más afinidad (en el sentido termodinámicamente favorable), y, por tanto, durante este proceso se genera energía. Cada transportador acepta electrones del anterior y los cede al siguiente (según su potencial redox: la molécula más oxidante es la última de la cadena).
Los transportadores de la cadena (flavoproteínas, quinonas, citocromos) están localizados y orientados en la membrana plasmática. Unos transportadores solo transfieren los electrones, pero otros transfieren electrones y protones (H+) que son expulsados fuera de la membrana, formándose un gradiente de protones, es decir, un exceso de protones o carga positiva a un lado de la membrana (exterior), y un defecto de protones o carga negativa al otro (interior), un potencial de membrana (potencial electroquímico) que es ya una forma de energía (se puede consumir directamente en el movimiento del flagelo y en el transporte activo de nutrientes).
ATPasa
Gracias a la ATPasa, complejo proteico situado en la membrana plasmática de las bacterias se forma ATP a partir del potencial de membrana generado durante la CTE.
Este complejo permite la entrada de
protones desde el exterior. Este flujo destruye el gradiente de protones de la membrana, y esta energía es utilizada para sintetizar ATP a partir del ADP y de fosfato (fosforilación oxidativa: asociada a la cadena de transporte de electrones).
Este complejo (ATPasa) es reversible, es decir, si la bacteria necesita ATP puede formar ATP a partir del gradiente de protones, pero si la bacteria no realiza la respiración y necesita un gradiente de protones, esta enzima es capaz de producirlo (expulsar protones) consumiendo ATP.
RESPIRACIÓN ANAEROBIA
RESPIRACIÓN AEROBIA
El aceptor final es el oxígeno y se forma H2O como producto de la reducción del O2.
- La glucosa se oxida completamente a CO2.
- Los electrones pasan de la glucosa hasta el oxígeno.
RESPIRACIÓN ANAEROBIA
El aceptor final de electrones es una sustancia (inorgánica normalmente) distinta al oxígeno. Estos aceptores pueden ser, entre otros:
- Nitrato (NO3-) que se reduce a nitrito (NO2-) o a nitrógeno gas (N2) (Pseudomonas y Bacillus) (bacterias desnitrificantes).
- Sulfato (SO42-) que forma sulfuro de hidrógeno (H2S) (Desulfovibrio).
La cantidad de ATP generada durante la respiración anaerobia varía según el aceptor final, ya que depende de su afinidad por los electrones (potencial redox). Todos estos aceptores tienen menos afinidad por los electrones que el oxígeno, por tanto, la CTE es más corta (finaliza en el punto que determina el potencial redox del aceptor final) y la producción de energía (ATP) es menor que en la respiración aerobia. Como producto final no se obtiene H20, sino el aceptor final reducido.
FERMENTACIÓN
Es un proceso microbiano de obtención de energía por oxidación parcial de moléculas orgánicas (azúcares).
- No necesita oxígeno (no interviene en este proceso).
- No participa la cadena de transporte electrónico.
- El balance redox es neutro (no hay variación neta entre el estado de oxidación de la glucosa y el producto final de la fermentación: no se ganan ni se pierden electrones).
- Solo producen pequeñas cantidades de ATP debido a que la glucosa solo se oxida parcialmente, y una gran parte de la energía original almacenada en la glucosa permanece en los enlaces químicos de los productos finales orgánicos, como el ácido láctico o el etanol que ya no continúan oxidándose.
- Toda la energía se obtiene por fosforilación a nivel de sustrato (no por fosforilación oxidativa, ya que no hay CTE).
ETAPAS:
1º) Oxidación parcial de la glucosa a pirúvico
2º) Reducción del pirúvico a los productos de fermentación
FERMENTACIÓN ALCOHOLICA
1º) Glucolisis: a partir de la glucosa se forman dos moléculas de pirúvico y dos de ATP (oxidación parcial).
2º) El ácido pirúvico se convierte en acetaldehído (CH3-COH) y CO2 (descarboxilación).
3º) El acetadehído se reduce por el NADH para formar etanol (CH3CH2OH).
Produce escasa cantidad de energía debido a que la mayor parte de la energía almacenada en la glucosa permanece en el producto final (etanol). Típica de Saccharomyces cerevisiae (levadura que se utiliza en la fermentación de bebidas alcohólicas como el vino y la cerveza, y la obtención del pan). En presencia de O2 la levadura respira, solo fermenta en su ausencia (adapta su metabolismo a la presencia o no de O2).
EFECTO PASTEUR
En ausencia de oxígeno (anaerobiosis) el azúcar se consumía muy rápida y paralelamente se obtenía alcohol, y la masa de levadura aumentaba lentamente. En cambio, en presencia de oxígeno (aerobiosis), el consumo de azúcar era más lento, dejaba de producirse alcohol, y la masa microbiana (levadura) aumentaba mucho más.
Hoy sabemos que esto se debe a que la levadura adapta su metabolismo a la presencia o no de O2:
- En presencia de O2 la levadura respira (obtiene la máxima energía de la oxidación completa del azúcar, que se consume lentamente, no se produce alcohol, y la masa microbiana aumenta mucho).
- En ausencia de O2 la levadura fermenta los azúcares, produciendo alcohol, pero como se obtiene poca energía (oxidación parcial), el azúcar se consume rápidamente y la masa microbiana aumenta poco.
A escala industrial, para obtener productos por fermentación alcohólica se requieren condiciones de anaerobiosis, pero si se quiere obtener masa de levadura, el cultivo debe hacerse en aerobiosis.
FERMENTACIÓN HOMOLÁCTICA
1º) Glucolisis: a partir de la glucosa se forman dos moléculas de pirúvico y dos de ATP (oxidación parcial).
2º) El ácido pirúvico se reduce directamente a ácido láctico (etapa única).
FERMENTACIÓN HETEROLÁCTICA
Ocurre por una vía distinta a la glicolisis y como productos finales se obtienen láctico y otros compuestos (etanol, CO2).
La fermentación láctica es típica de las bacterias del ácido láctico (BAL: Lactobacillus, Lactococcus, Leuconostoc, Streptococcus, Pediococcus). Muy importantes en la obtención de productos fermentados a partir de la leche (yogurt, quesos…) y otros productos (chucrut, pepinillos, etc.) de interés en la industria alimentaria.
Son bacterias que carecen de cadena respiratoria (fermentadores estrictos, la presencia de O2 no modifica su catabolismo: aerotolerantes).
OTRAS FERMENTACIONES
- Fermentación PROPIÓNICA: Realizada por especies bacterianas del género Propionibacterium. Importante en la producción de algunos quesos (queso suizo). A partir del azúcar se genera ácido propiónico, acético y CO2.
- Fermentación BUTÍRUCA: Característica de bacterias anaerobias del género Clostridium. Transforma los azúcares en ácido butírico, y genera olores pútridos y desagradables (fermentación no deseable).
- Fermentación MALOLÁCTICA: Transforma el ácido málico (presente en muchas frutas) en láctico (bacterias lácticas). Interés en la obtención del vino, ya que reduce la acidez y aumenta la calidad.
IMPORTANCIA DE LA FERMENTACIÓN
Algunos microorganismos solo pueden fermentar (no tienen CTE), pero también pueden crear un gradiente de protones en la membrana (mediante la ATPasa), que se utiliza como energía en el transporte de nutrientes y para el movimiento del flagelo.
La fermentación es importante en microbiología industrial/alimentaria (vino, cerveza, isopropanol, butanol…). También es importante en la industria alimentaria ya que:
- Tiene un bajo coste de producción.
- Produce características organolépticas como los aromas (a partir de otros compuestos lipídicos y aa presentes en la materia prima fermentable… que también son metabolizados por los microorganismos).
También es importante para la conservación de los alimentos. Los alimentos fermentados son un medio desfavorable para otros microorganismos.
- Producción de ácidos (láctico y otros), el pH baja y dificulta/inhibe el crecimiento de los
microorganismos. - Producción de alcohol. Puede inhibir el crecimiento a bajas concentraciones relativas.
- Producción de bacteriocinas (proteínas que fabrican las bacterias, que matan otras bacterias).
