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micro tema 6, Apuntes de Microbiología

Asignatura: Microbiología, Profesor: , Carrera: Biología, Universidad: UCM

Tipo: Apuntes

2016/2017

Subido el 18/11/2017

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TEMA 6. OBTENCIÓN DE ENERGÍA.
Índice del tema.
1. Nutrición.
2. Grupos tróficos.
3. Conceptos básicos de energética microbiana.
4. Microorganismos quimioorganotrofos.
5. Fermentación y tipos de fermentación.
6. Respiración aerobia y anaerobia.
Conceptos básicos de energética microbiana.
La utilización de energía química en organismos vivos implica reacciones de oxidación-reducción (también llamadas
redox).
• Oxidación se define como la pérdida de un electrón o electrones de una sustancia.
• Reducción se define como una ganancia de un electrón o electrones.
H2 + ½ O2 H2O
En las reacciones de oxidación-reducción; los electrones cedidos por un donador son recibidos por un aceptor. Sin
embargo, los electrones no pueden existir como tales en una reacción sino que forman parte de los átomos…
En estas reacciones la sustancia oxidada (en este caso H2) es el donador de electrones y la sustancia reducida (en este
caso el O2), como el aceptor de electrones.
Bioenergética: La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. En microbiología, la energía se mide
normalmente en kilojulios (kJ), unidad de energía calorífica lo que interesa es considerar la energía libre (G) y AGo
energía liberada que es utilizable para realizar un trabajo.
• Si AGo < 0, reacción exergónica, la reacción ocurre espontáneamente con producción de energía, la cual será capaz
de conservar la célula en forma de ATP.
• Si AGo > 0, reacción endergónica, la reacción ocurre con gasto de energía, mayoritariamente en forma de ATP.
AGo = AGo t + RT In K
Potencial de reducción.
Tendencia a ceder electrones (SE OXIDA).
Tendencia a aceptar electrones (SE REDUCE).
Las sustancias varían en cuanto a su tendencia a oxidarse o a reducirse. Esta tendencia se expresa como potencial de
reducción.
La sustancia reducida, de potencial de reducción más negativo, dona electrones a la forma oxidada, cuyo potencial es
más positivo.
Transportadores de electrones desde un donador inicial o donador primario de electrones a un aceptor final o terminal
de electrones.
Los transportadores de electrones intermediarios pueden dividirse en:
1. aquellos que difunden libremente.
2. firmemente anclados a enzimas de la membrana citoplasmática.
La energía liberada como consecuencia de las reacciones redox debe ser conservada. La energía química es transferida
a una diversidad de compuestos fosforilados para formar enlaces fosfato de alta energía (ATP) ATP sintetasa.
Pares y escalas redox.
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TEMA 6. OBTENCIÓN DE ENERGÍA.

Índice del tema.

  1. Nutrición.
  2. Grupos tróficos.
  3. Conceptos básicos de energética microbiana.
  4. Microorganismos quimioorganotrofos.
  5. Fermentación y tipos de fermentación.
  6. Respiración aerobia y anaerobia. Conceptos básicos de energética microbiana. La utilización de energía química en organismos vivos implica reacciones de oxidación-reducción (también llamadas redox).
  • Oxidación se define como la pérdida de un electrón o electrones de una sustancia.
  • Reducción se define como una ganancia de un electrón o electrones. H2 + ½ O2 H2O En las reacciones de oxidación-reducción; los electrones cedidos por un donador son recibidos por un aceptor. Sin embargo, los electrones no pueden existir como tales en una reacción sino que forman parte de los átomos… En estas reacciones la sustancia oxidada (en este caso H2) es el donador de electrones y la sustancia reducida (en este caso el O2), como el aceptor de electrones. Bioenergética : La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. En microbiología, la energía se mide normalmente en kilojulios (kJ), unidad de energía calorífica lo que interesa es considerar la energía libre (G) y AGo energía liberada que es utilizable para realizar un trabajo.
  • Si AGo < 0, reacción exergónica, la reacción ocurre espontáneamente con producción de energía, la cual será capaz de conservar la célula en forma de ATP.
  • Si AGo > 0, reacción endergónica, la reacción ocurre con gasto de energía, mayoritariamente en forma de ATP. AGo = AGo t + RT In K Potencial de reducción.
  • Tendencia a ceder electrones (SE OXIDA).
  • Tendencia a aceptar electrones (SE REDUCE). Las sustancias varían en cuanto a su tendencia a oxidarse o a reducirse. Esta tendencia se expresa como potencial de reducción. La sustancia reducida, de potencial de reducción más negativo, dona electrones a la forma oxidada, cuyo potencial es más positivo. Transportadores de electrones desde un donador inicial o donador primario de electrones a un aceptor final o terminal de electrones. Los transportadores de electrones intermediarios pueden dividirse en:
  1. aquellos que difunden libremente.
  2. firmemente anclados a enzimas de la membrana citoplasmática. La energía liberada como consecuencia de las reacciones redox debe ser conservada. La energía química es transferida a una diversidad de compuestos fosforilados para formar enlaces fosfato de alta energía (ATP) ATP sintetasa. Pares y escalas redox.

Los pares redox se ordenan desde los reductores más fuertes con potenciales de reducción negativos, hasta los oxidantes más fuertes con potenciales de reducción positivos. Como los electrones son cedidos desde la parte superior a la inferior, pueden ser recogidos por aceptores a diversos niveles. Cuanto mayor sea la caída antes de ser recogidos (diferencia de potenciales), más energía se liberará. Energía liberada cuando un mismo donador de electrones, el H2, reacciona con tres aceptores de electrones diferentes: fumarato, nitrato y oxígeno. Por lo tanto, en situaciones sin O2, cuando el H2 está presente:

  • El fumarato puede actuar como aceptor de electrones produciéndose succinato.
  • El succinato es el donador de electrones produciéndose fumarato; en el caso de presencia de nitrato. Un modo conveniente de visualizar la transferencia de electrones es mediante una torre vertical. La torre representa el rango de potenciales para los diversos pares redox con los más negativos arriba y los más positivos abajo.

Metabolismo celular: anabolismo y catabolismo. Metabolismo: conjunto de reacciones químicas en la célula que se traduce en la formación de moléculas y su organización para formar estructuras específicas. Catabolismo: los procesos bioquímicos por los que se obtiene energía. Anabolismo: comprende todos los procesos bioquímicos que requieren energía y por los que los microorganismos construyen la inmensa mayoría de sus moléculas. Grupos tróficos. Sólo los organismos autótrofos pueden usar dióxido de carbono como fuente única o principal de carbono. Mayoritariamente fotosintéticos (fototrofos) fotosintesis oxigénica (requieren luz) /anoxigénica (+ - luz). Los organismos que emplean moléculas orgánicas preformadas y reducidas como fuentes de carbono son heterótrofos (estas moléculas preformadas proceden generalmente de otros organismos). Tipos nutricionales: Existen únicamente dos fuentes de energía disponibles para los organismos: 1.- La energía lumínica captada durante la fotosíntesis. Los fototrofos emplean luz como fuente de energía. 2.- La energía derivada de la oxidación de moléculas orgánicas o inorgánicas. Los quimiotrofos obtienen la energía a partir de la oxidación de compuestos químicos (orgánicos o inorgánicos).

Una tercera forma de producción de ATP es mediante la fotofosforilación, es igual a la fotofosforilación oxidativa excepto que en vez de ser un compuesto químico el que inicia las reacciones redox, es la luz la que lo hace. Existen muchos tipos de fermentación, pero bajo condiciones fermentativas sólo ocurre oxidación parcial de los átomos de carbono de los compuestos orgánicos y por lo tanto se libera una pequeña cantidad de la energía potencial. El ATP en las fermentaciones se produce por FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO: Síntesis de ATP a partir de ADP por fosforilación junto con la degradación exergónica de una molécula de sustrato orgánica de elevada E. El ATP se sintetiza durante el catabolismo del compuesto orgánico y en pasos enzimáticos muy concretos F 0 E 0 conservación de energía. Producción y excreción de los productos generados produce un llamado equilibrio redox. Ej. de fermentación de la glucosa es la glucolisis o Ruta de EmbdenMeyerhof: Proceso anaerobio que se divide 3 etapas:

  1. Reacciones preparatorias: en esta primera etapa no ha ocurrido ninguna reacción redox y no hay transferencia de electrones.
  2. Oxidación: obtención del piruvato y ATP (Por fosforilación a nivel de sustrato). El transporte de electrones es por el NAD+/NADH. Se han obtenido finalmente 4 ATP.
  3. Reducción: obtención de los productos de fermentación. En esta etapa se reoxida el NADH, pasando a NAD+, a fin de que las reacciones que liberan energía en la fermentación puedan continuar. Como hemos observado, la reducción del NAD+ (En la glucólisis) se equilibra con su oxidación después en la fermentación. Los productos finales tienen que estar también en equilibrio redox con el sustrato inicial que es la glucosa. EL PODER REDUCTOR : Durante la formación de 2 moléculas de ácido 1,3 difosfoglicérico se reducen 2 moléculas de NAD+ hasta NADH. La fermentación prduce poca energía por dos razones:
  4. Los atomos de carbono del compuesto inicial están oxidados parcialemente.
  5. La diferencia entre los potenciales de reducción del donador y aceptor de electrones es pequeña. Las fermentaciones se pueden clasificar atendiendo a los sustratos fermentados o a los productos de fermentación formados.
  • Según los productos formados: Fermentación alcohólica, fermentación láctica, fermentación propiónicaf, fermentación ácido-mixta… Concepto y tipos de fermentación.
  1. Fermentación láctica. Las bacterias del ácido láctico (Gram +) originan ácido láctico como principal o único producto de su metabolismo fermentativo. Una diferencia destacada entre subgrupos de las bacterias del ácido láctico está en la naturaleza de los productos formados durante la fermentación de azúcares.
  • El grupo llamado homofermentativo tienen prácticamente un sólo producto el ácido láctico (poseen enzima aldolasa 2 lactatos).
  • El grupo denominado heterofermentativo origina además de ácido láctico, etanol y CO2 (carecen de aldolasa pero poseen la enzima fosfocetolasa)
  1. Fermentación propiónica: Las bacterias del ácido propiónico pertenecen al género Propionibacterium. ■ Anaerobias aerotolerantes, fermentan ácido láctico, carbohidratos y diversos alcoholes produciendo ÁCIDO PROPIÓNICO, ÁCIDO ACÉTICO y CO2. ■ Aisladas a partir de quesos suizos (tipo Emmental o Gruyère). 3 ácido láctico + 2 ácido propiónico + 1 ácido acético + 1 CO2 + 3-5 ATP
  • La fermentación ácido mixta.

Producción de ácidos genera un descenso acusado de pH rojo de metilo

  • La fermentación butilén-glicólica.
    1. Fermentación en los clostridios (Género Clostridium). Algunos clostridios fermentan azúcares y obtienen como producto final ácido butírico. Algunos producen también acetona y butanol. Algunas especies fermentan la celulosa con formación de ácidos y alcoholes.
  • En la primera fase los productos predominantes son el ácido butírico y acético.
  • A continuación, según baja el pH cesa la síntesis de ácidos y comienzan a acumularse la acetona y butanol (DISOLVENTES INDUSTRIALES).

Reacción de Stickland: otro grupo de clostridios obtiene la energía fermentando aminoácidos. Suelen fermentar pares de aa en donde uno actúa como donador de electrones y es oxidado mientras que el otro se comporta aceptando los electrones y es reducido.

**Característico mal olor.

En resumen…

La respiración aeróbica es el proceso químico mediante el cual un compuesto orgánico se oxida, utilizando

el O2 como aceptor final de electrones.

Este proceso presenta mayor liberación de energía que la fermentación como consecuencia de:

1.- Los átomos de carbono de los compuestos de partida pueden ser oxidados completamente hasta CO2.

2.- El aceptor terminal de electrones tiene un potencial de reducción relativamente positivo, lo que conduce

a una gran producción de ATP.

Sistemas transportadores de electrones:

Se encuentran asociados a membranas. Estos sistemas tienen dos funciones básicas:

1. Aceptar los electrones del donador y transferirlos al aceptor.

2. Conservar parte de la energía liberada durante el transporte de los electrones para la síntesis de ATP.

Los principales que están implicados en el transporte de electrones son: NADH deshidrogenasas; FAD;

proteínas de hierro y azufre; citocromos y quinonas (son moléculas no proteicas altamente hidrofóbicas).

Fosforilación oxidativa: síntesis de ATP a partir de ADP acoplada a la creacion de una fuerza protón motriz.

Fuerza protón motriz.

Durante el transporte de electrones se produce ATP por fosforilación oxidativa. Esta formación de ATP está

fuertemente ligada al establecimiento de una fuerza prot´pn motriz a través de la membrana, de modo que el

transporte de electrones sirve para establecer un estado de energñia en la membrana.

Quimiosmosis.

Los transportadores de memebrana ya dichos anteriormente se colocan en la membrana de tal forma que

durante el proceso de transporte tiene lugar una separación de portones y electrones a través de la

mamebrana. Los átomos de hidrógeno como el NADH, se desdoblan en electrones y protones, y los

primeros son transportados a través de la cadena por transportadores específicos mientras los protones son

bombeados fuera de la célula al entorno (en las GRAM – hacia el periplasma), por lo que se origina una

cierta acidificación de la superficie externa de la membrana.

Al final de la cadena de transporte, los electrones son recogidos por el aceptor final (O2 en el caso de la

respiración aerobea) que se reduce.

Cuando el O2 se reduce a H2O, se necesitan H+ para completar la rección y estos protones derivan de la

disociación del agua en H+ y OH-.

El empleo de H+ en la reducción del O2 a H2O origina una acumulación de OH- en la cara interna de la

membrana. A pesar de su pequeño tamaño, como H+ y OH- presentan carga, no pueden atravesar por ellos

mismos la membrana; por lo que no se puede conseguir el equilibrio de esa forma.

En consecuencia, se crea un gradiente de pH o potencial electroquímico a través de la membrana, con la

porción interna negativa y la externa positiva.

Este gradiente hace que la célula posea un estado energético, que se expresa como su fuerza protón motriz.

Origen de los protones:

(1) NADH.

(2) la disociación del H20 en H+ y OH- en el citoplasma.

Ni H+ ni OH- pueden atravesar libremente la membrana F 0E 0no se puede restaurar espontáneamente el

equilibrio.

Generación de un gradiente de pH y de un potencial electroquímico a través de la membrana.

Fuerza protón-motriz:

  • síntesis de ATP.
  • generación de trabajo: transporte de iones, la rotación de los flagelos, ...

La fuerza protón-motriz deriva de las actividades de las enzimas flavínicas, las quinonas, el complejo

citocromo bc1, y el citocromo oxidasa terminal.

La serie de reacciones de oxidación-reducción que tiene lugar durante el transporte de electrones puede

analizarse examinando secuencialmente casa par de transportadores.

Proceso: Los dos átomos de hidrógeno del NADH pasan al FADH que los libera en forma de H+ cuando

este cede los electrones a la cadena transportadora. Los dos electrones pasan a una proteína con hierro y

azufre (Complejo I).

Los electrones se ceden a la coenzima Q que toma dos protones de la disociación del agua en el citoplasma.

La coenzima Q pasa un electrón cada vez al complejo III (complejo del citocromo bc1 ). Este complejo está

formado por diversas proteínas que contienen varios centros metálicos hemo.

  • Complejo III ó complejo del citocromo bc1, asociado a diversas proteínas con grupos hemos o

centros metálicos: dos tipos de hemo b (bL y bH), un tipo de hemo c (c,) y una proteína con Fe y S.

  • Citocromo c, situado en el periplasma, funciona como una lanzadera que transporta electrones al

Complejo IV.

  • Complejo IV, citocromos a y a3. Oxidasa terminal del sistema y reduce el 02 a H20 en el paso final

del transporte de electrones. También bombea 2H+ al exterior por cada 2 e-.

Presencia de una serie de transportadores de electrones asociados a membrana y dispuestos en un orden que sigue el incremento de valores positivos de E0'. Alternancia en la cadena de transportadores de sólo-electrones y de transportadores de electrones más protones; y Generación de una fuerza motriz de protones.

Fosforilación oxidativa si la fuerza motriz de protones se origina por respiración y fotofosforilación si se origina por reacciones fotosintéticas. Una forma alternativa de generación de energía es una variación en la respiración, en la que los aceptores de electrones utilizados son diferentes al oxígeno. Por su analogía con la respiración aeróbica se denomina respiración anaeróbica. Los aceptores de electrones utilizados en la respiración anaeróbica incluyen el nitrato ( NO3-), ion férrico (Fe3+), sulfato (SO42-), carbonato (CO32-):

En resumen…