Post on 03-May-2018
Metabolismo del Carbono
Microorganismos
Fuente de energía
Oxido-reducción
QuimiótrofasLuz
Fotótrofas
Compuestos orgánicosQuimioheterótrofos
Fuente de carbono
Compuestos orgánicosQuimioheterótrofos
CO2
Compuestos orgánicosFotoheterótrofos
CO2
Fotoautótrofos
Compuestos inorgánicosQuimiolitótrofos
Compuestos OrgánicosMixótrofos
CO2
Litoautótrofos
Fuente de carbono
Fuente de carbono
Clasificación
Crecimiento en
compuestos de C1
Muchos procariotes pueden crecer
en compuestos de un carbono
como única fuente de carbono. Los compuestos más comunes son:
•Dióxido de carbono (CO2)
•Metano (CH4)
•Metanol (CH3OH)
•Metilamina (CH3NH2)
Pocos procariotes anaerobios (metanógenos) pueden utilizar el
CO2 como fuente de carbono y también como aceptor de
electrones, reduciendo a metano y produciendo ATP.
Methylococcus capsulatus
Autótrofos
Bacterias púrpura
Cianobacterias
Algas
Bacterias halófilas
Organismos que
emplean el CO2 como
fuente de carbono.
Bacterias quimiolitótrofas
Crecimiento Autotrófico
Ribulosa difosfato carboxilasa (RubisCO). Convierte la
ribulosa 1,5-difosfato en ácido 3-fosfoglicérico.
http://www.efn.uncor.edu/dep/biologia/intrbiol/fotosint.htm
RubisCO
Se encuentra presente en:
•Bacterias púrpura
•Cianobacterias•Algas
•Plantas verdes
•Muchas bacterias Quimiolitótrofas
•Algunas arqueobacterias halófilas e hipertermófilas
Prochlorococcus marinusThiobacillus neapolitanus
•Carboxisomas
Protein Data Bank
Synechococcus sp.
Ciclo de Calvin
http://www.msu.edu/~smithe44/campbell_10.16
Ciclo de Calvin•Carboxilación. La enzima
rubisco cataliza la combinación
de la ribulosa difosfato con el
CO2, formándose un
compuesto intermedio e
inestable (de 6 átomos de
carbono), que se descompone
en dos moléculas de
fosfoglicerato (con 3 átomos).
•Reducción. Mediante la
energía que suministra el ATP y
el poder reductor del NADPH, el
fosfoglicerato se transforma en
gliceraldehído 3-fosfato.
•Recuperación. De cada 6 moléculas de
gliceraldehído 3-fosfato, 5 se transforman en 3
moléculas de ribulosa difosfato (con consumo
de ATP) y la otra se considera el rendimiento
neto del ciclo.
http://recursos.cnice.mec.es/biologia/bachillerato/segundo/biologia/ud04/02_04_04_02_023.html
Ciclo de
Calvin
Emplea el ATP y el poder
reductor para fijar el CO2.
Ciclo de Krebs reverso•Emplea una ferredoxina
reducida
proveniente de
la fotosíntesis.
•Del
oxaloacetato se
asimilan 3
moléculas de CO2 y se
produce
Piruvato que va
a formar parte
del material
celular.
•Hay gasto de
ATP.
Bacterias que realizan el Ciclo
de Krebs reverso•Bacterias verdes del azufre (Chlorobium).
Bacterias Gram negativas que fueron aisladas en
Nueva Zelanda y se desarrollan en aguas termales
con presencia de sulfuros de hidrógeno. C. tepidum,
es el modelo del grupo por su facilidad de cultivo, es
una bacteria que realiza la fotosíntesis anoxigénica,
utiliza H2, Sº y H2S como donadores de electrones
además deposita en el medio gránulos de Sº.
Bacterias que realizan el Ciclo
de Krebs reverso
•Hydrogenobacter sp
Bacterias que oxidan el hidrógeno para obtener energía,
acidófilas y termófilas.
•Desulfobacter sp
Bacteria sulfato reductora, Gram negativa anaerobia estricta, móvil por la
presencia de un flagelo polar, utiliza el
acetato como donador de electrones y
lo oxida a CO2 por el ciclo de Krebs.
Vía del Hidroxipropionato
•Acetil-CoA/propionil-CoA carboxilasa es la enzima clave de la vía.
•Un acetil-CoA y dos moléculas de CO2 son reductivamente convertidas vía 3-hidroxipropionato a succinil-CoA. Este intermediario
es reducido a 4-hidroxibutirato y convertido en dos moléculas de
acetil-CoA por la 4-hidroxibutiril-CoA dehidratasa.
Bacterias que realizan la vía del
Hidroxipropionato•Bacterias verdes no del azufre (Chloroflexus).
Bacteria filamentosa, anoxigénica, no todas
las especies pueden emplear los sulfuros como donador de electrones. Chloroflexus
generalmente es fotoheterótrofo y utiliza H2
y sulfuros como donadores de electrones.
Cuando crece autotróficamente fija CO2
por la vía del hidroxipropionato.
Chloroflexus tiene un crecimiento óptimo entre 50 y 60ºC por lo que se encuentra en
la naturaleza en aguas termales, lagos, ríos y sedimentos, y en ambientes hipersalinos.
Bacterias que realizan la vía del
Hidroxipropionato
•Arqueas hipertermófilas
Se observa la capa
cristalina S y una partícla
viral en la parte superior
derecha. Mixótrofo o
autótrofo, crece
anaeróbicamente en CO2
y Sº y aeróbicamente en
medios orgánicos.
Metallosphaera prunae
Acidianus sp
Sulfolobus sp
Hipertermófila, acidófila,
que posee capa
cristalina S. Fue
encontrada en una
mina de uranio.
Hipertermófila,
acidófila, aerobia,
heterótrofa que
puede emplear el
Sº como fuente de
energía.
Vía Acetil CoA reductiva
•Un CO2 es capturado por
un cofactor especial
(tetrahidrofolato: T ) y reducido a grupo metil.
•La otra el CO2 es reducido
a un grupocarbonil (C=O)
por la monóxido deshidrogenasa.
•El grupo carbonil se une
con el grupo metil para
formar Acetil CoA por el complejo enzimático Acetil CoA sintasa.
•La vía requiere H2 como
donador de electrones.http://lecturer.ukdw.ac.id/dhira/Metabolism/CarbonAssim.html
Vía Acetil CoA reductiva
•Bacterias acetogénicas (Clostridium
thermoaceticum, Acetobacterium woodii).
•Metanogénicas (Methanobacterium
thermoautotrophicum).
•Autótrofas sulfato reductoras
(Desulfobacterium autotrophicum).
Microorganismos Metilótroficos
•Bacterias aerobias que
pueden crecer en
compuestos que no contienen puentes de C-C,
diferentes al CO2.
•Puede fabricar sus propios
compuestos orgánicos empleando como fuente
de carbono dichas
pequeñas moléculas, y
además puede oxidarlas para obtener energía
metabólica.
Methylobacterium oryzae
Microorganismos Metilótroficos
•Monóxido de carbono CO
•Metano (CH4)
•Metanol (CH3OH)
•Formaldehído (HCHO)
•Formato (HCOOH)•Metilamina (CH3NH2)
•Trimetilamina [(CH3)3N]*
•Dimetil éter [(CH3)2O]*
•Dimetil carbonato (CH3OCOOCH3)*
•Dimetil sulfóxido [(CH3)2SO]*
*Compuestos con múltiples carbonos
que no contienen enlaces C-C.
Methylamine-enriched community of Lake Washington sediment featuring Methylotenera cells.
Puede utilizar compuestos como al amonio, etileno, clorometano,
bromometano e hidrocarburos de más carbonos como etano y propano como sustratos oxidables pero no utilizables para crecer.
Clasificación de las bacterias
metilótroficas
Metilótrofos
Obligados Facultativos
Pueden crecer
en cualquier
compuesto
de C1
No pueden crecer en
compuestos con multicarbonos
y pueden crecer en
metanol o metilamina
No pueden crecer en
compuestos con multicarbonos
y pueden crecer en
metanol o metano
Metanótrofos
Bacterias metilótroficasObligadas
No metanótrofas
Facultativas
No pueden crecer en
compuestos con multicarbonos
y pueden crecer en metanol o
metilamina, no en metano.
Pueden crecer en cualquier compuesto de C1
Bacterias aeróbicas Gram
negativas: Methylophilus y
Metanobacillus.
Bacterias Gram positivas y Gram
Negativas: Bacillus, Acetobacter,
Mycobacterium, Arthrobacter,
Hyphomicrobium, Methylobacterium y
Nocardia.
Bacterias metilótroficas•Obligadas
Metanótrofas. No pueden crecer en compuestos con
multicarbonos y pueden crecer en metanol o metano.
Grupo Organismo Formas de reposo
Ciclo del ácido cítrico&
Asimilación de carbono
Fijación de N2
I Methylomonas Quistes Incompleta Ribulosa monofosfato No
I Methylomicrobium No tiene Incompleta Ribulosa monofosfato No
I Methylobacter Quistes Incompleta Ribulosa monofosfato No
I Methylococcus * Quistes Incompleta Ribulosa monofosfato Si
II Methylosinus Exospora Completa Serina Si
II Methylocystis Exospora Completa Serina Si
II Methylocellae Exospora Completa Serina Si
* Contiene las enzimas del ciclo de Calvin.
&Organismos con un ciclo del ácido cítrico incompleto carecen de la enzima alfa-cetoglutarato deshidrogenasa y no pueden oxidar acetato a CO2.
Metanótrofos•Poseen un sistema de enzimas específico, la metano-
monooxigenasa.
•Forman un complejo sistema de membranas internas cuando crecen donde se lleva a cabo la oxidación del metano. Contienen
alta concentración de esteroles.
Methylomonas sp
Tipo I, grupos de
vesículas con forma
de disco distribuidas
por todo el
organismo.
Tipo II, membranas organizadas en la
periferia de la célula.
Methylosinus sp
Oxidación del metano
•Metano-
monooxigenasa.
•Metanol deshidrogenasa.
•Formaldehido
deshidrogenasa.
•Formato
deshidrogenasa.
Vía de la
ribulosa
monofosfato
Metanótrofos Tipo I
Vía de la
Serina
Metanótrofos Tipo II
Bacterias carboxidotróficas
CO + H2O →
CO2 + 2H+ + 2e-
Nature Reviews Microbiology 5, 107-118 (February 2007)
•Enzima monóxido de
carbono
deshidrogenasa.
•CO como donador
de electrones para la
síntesis de ATP.
•Fija el CO2 generado
mediante el Ciclo de Calvin.
Catabolismo de compuestos
orgánicos
Enzimas extracelulares
Las exoenzimas son enzimas producidas por microorganismos y
excretadas al medio ambiente.
Son ampliamente utilizadas en diversos factores industriales. Estas
enzimas son producidas naturalmente por los microorganismos para su sobrevivencia.
Lipasa Celulasa b-galactosidasa
Degradación de polímeros de C
Sustancias Composición Fuentes Enzimas catabólicas
Celulosa Polímero de glucosa
(b-1,4-)
Plantas (hojas, tallos) Celulasa (b-1,4-glucanasas)
Almidón Polímero de glucosa
(a-1,4-)
Plantas (hojas,
semillas)
Amilasa
Glucógeno Polímero de glucosa
(a-1,4- y b-1,6-)
Animales (músculo) Amilasa,
fosforilasa
Laminarina Polímero de glucosa
(b-1,3-)
Algas marina b-1,3-Glucanasa (laminarinasa)
Paramilón Polímero de glucosa
(b-1,3-)
Algas b-1,3-Glucanasa
Agar Polímero de
galactosa y ácido
galacturónico.
Algas rojas Agarasa
Degradación de polímeros de C
Sustancias Composición Fuentes Enzimas
catabólicas
Quitina Polímero de N-
acetilglucosamina (b-1,4)
Hongos (paredes
celulares),
insectos
(exoesqueleto)
Quitinasa
Pectina Polímero de ácido
galacturónico
Pectina (hojas,
semillas)
Pectinasa
(poligalacturonasa
)
Dextrano Polímero de glucosa Cápulas o capas
mucoides
Dextranasa
Xilano Heteropolímero de xilosa y
otros azúcares (b-1,4- y
otros laterares a-1-2 o a-1,3)
Plantas Xilanasa
Utilización de lactosa
•La lactosa puede ser utilizada
por diferentes microorganismos
por dos mecanismos:
•La inducción bajo el control del operón lac para una permeasa y
una b-galactosidasa.
•Sistema PTS con una enzima II específica para lactosa.
Operón lac. Con lactosa (alolactosa)
•En presencia de lactosa
extracelular, bajos niveles de b-galactosidasa que
se encuentra en la célula
convierten lactosa en
alolactosa (grupo galactósido en la
posición 4 en lugar de la
posición 6).
•La alolactosa se une a
la proteína represora y la
desacopla de su lugar en
el operador.
•La ARN polimerasa transcribe los genes para
el trasporte y utilización
de la lactosa.
Operón lac. Efecto de la glucosa
•En un medio sin glucosa pero
con lactosa los niveles de AMPc
son altos. La proteína CRP tiene sitios de unión para el ADN y
para el AMPc. El complejo
AMPc-CAP se une a una zona
cercana al promotor lac, y favorece la unión de la ARN
polimerasa al promotor,
aumentando la transcripción
hasta 50 veces. Se ha
demostrado que el AMPc y la
CAP contribuyen a la iniciación
de la transcripción, ayudando al
reconocimiento del sitio de
iniciación por la ARN polimerasa.
•AMPc
•CRP (Receptora de AMPc o
proteína activadora de catabolitos)
Simporte de lactosa
•Lactose can be transported
into E. coli against a
concentration gradient using
galactoside permease, one
of the proteins encoded bythe lac operon. This protein
uses a proton-motive force to
pump lactose into the cell.
•The proton gradient iscreated by an electron
transport complex in the
membrane which is inhibited
by cyanide, reminiscent of the cytochrome C oxidase
complex in oxphos. http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/ch331/signaltrans/olsignalenergy.html
Crecimiento Heterotrófico
Glucosa
ATP
Glucosa 6P
Fructosa 6P
NADPH
Gluconato 6P
ATP
Gluconato
ATP
Fructosa 1,6 biP
Gliceraldehído P
Fosfoenolpiruvato
ATP, NADH
Piruvato
ATP
Acetil CoA
NADPH, CO2
CO2,
NADPH
Pentosas-P
Pentosa
ATP
Entner Doudoroff
Glucólisis
Las vías del metabolismo central:
Glucólisis (Embden-
Meyerhof-Parnas
EMP), de las Pentosas fosfato y Entner-
Doudoroff proveen de
precursores
metabólicos para
otras vías, son las vías
para el metabolismo
de carbohidratos y
ácidos carboxílicos.
Las tres vías convierten por diferentes rutas
la glucosa en gliceraldehído, que es oxidado por la misma reacción para
formar piruvato.
Glucólisis
•La vía de la glucólisis
(Embden-Meyerhof-Parnas EMP), se encuentra
en todos los eucariotes y
en muchas especies de
bacterias.
•En la primera etapa hay
gasto de 2 moléculas de
ATP por molécula de
glucosa.
•En la segunda parte se
forman 4 moléculas de
ATP por fosforilación a
nivel de sustrato y 2 de NADH.
Ciclo de las pentosas fosfato
Importancia:
•Produce los precursores
de la ribosa, desoxirribosa
en los ácidos nucleicos y
provee de eritrosa fosfato
como precursor de
aminoácidos aromáticos.
•Se produce en está vía,
NADPH, la mayor fuente de electrones de la
biosíntesis y varias de sus
reacciones las comparte
con el ciclo de Calvin.
Vía Entner-
Doudoroff
•Muchos tipos de bacterias no
poseen la enzima
fosfofructocinasa-1 y no pueden
convertir la glucosa-6P a
Fructosa 1,6-difosfato.
•Una vía alterna es Entner-
Duodoroff, en la cual la glucosa
6P es convertida a piruvato y Gliceraldehído-3-fosfato por la
desidratación poco usual del
6-fosfogluconato para formar
2-ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato
(KDPG).
Oxidación/Fermentación
•La fermentación requiere de una fosforilación inicial, utiliza
principalmente la vía de la Glucólisis (Embden-Meyerhof-Parnas
EMP), aunque también puede utilizar las vías de las Pentosas
fosfato o Entner-Doudoroff (ED) en combinación con EMP.
•La vía metabólica de Embden-Meyerhof-Parnas también se
denomina glucolítica o anaerobia o fermentativa. La vía
metabólica de Entner-Doudoroff también se denomina aerobia.
•En la prueba de Oxidación-
fermentación se emplea el medio
de Hugh and Leifson en condiciones aerobias y anaerobias
para determinar el metabolismo
oxidativo o fermentativo de un
hidrato de carbono.
Oxidación/Fermentación
•La oxidación de la glucosa produce ácido pirúvico por la
vía de Entner-Doudoroff (ED) o
por una derivación. Ambas se
han encontrado en procariotes.
•La vía de ED ocurre en
condiciones aerobias.
•La vía de derivación no
requiere de fosforilación inicial.
Glucosa Glucosa
Deshidrogenasa
Ácido glucónico Gluconato
dehidratasa
Ácido2-ceto-glucónico Cinasa
Ácido 2-ceto-6-fosfoglucónico
(KDPG) Reacciones ED
2 Moles de ácido pirúvico
• En la derivación se forma el
intermediario KDPG que se incorpora a la vía de ED para
formar piruvato.
Ciclo de Krebs
• Aunque la vía de los
ATC se asocia a bacterias
aeróbicas, no todas ellas
poseen el ciclo completo.
•También se presenta en
muchas bacterias
heterotróficas que crecen
anaeróbicamente y en ciertos anaerobios que
oxidan completamente
los compuestos orgánicos
a CO2.
Fermentación
Es definida como una ruta en la cual el NADH es reoxidado por
metabolitos producidos por la vía. Las reacciones redox ocurren principalmente en el citoplasma y el ATP es producido por
fosforilación a nivel de sustrato. La fermentación sucede en
condiciones anaeróbicas.
•Células eucariotes. Levaduras, fermentación alcohólica
Células musculares y eritrocitos, fermentación láctica
•Células procariotes.1. Láctica
2. Alcohólica
3. Butírica
4. Ácido mixta
5. Propionica
6. Homoacética
Fosforilación a
nivel de sustrato Compuesto orgánico (reducido)
Intermediario A
Pi
ATP
Intermediario B P
Intermediario C P
Intermediario D(oxidado)
ADP
NAD+
NADH
Producto final (reducido)
NADH
NAD+
Acarreador electrónico
El sustrato orgánico (donador de
e-) pasa por una ruta catabólica
(ej., la glucólisis), y uno de los
intermediarios de esa ruta es
oxidado por un coenzima, se origina un intermediario no
fosforilado con una gran energía
de hidrólisis. El intermediario
experimenta enseguida una sustitución con un fosfato, para dar
la correspondiente forma acil-
fosfato (enlace de alta energía).
Este acil-fosfato dona su fosfato de
alta energía al ADP, que pasa a
ATP.
•Se realiza en
condiciones
anaerobias.
•Emplea como
aceptor de
electrones a una
molécula
orgánica.
•Utiliza el NADH
producido en la
glucólisis.
•Se conserva la
energía de la
fosforilación a nivel de sustrato (FNS).
Acido oxaloacético
Ácido pirúvico+2HAcido láctico Acido a-acetoláctico
Streptococcus
LactobacillusStaphylococcus
+ ácido pirúvico
-CO2
-CO2
Acetoina
+2H
Klebsiella
EnterobacterBacillus
2,3-butanediol
+CO2
ATP
ADP
+2H
Acido málico
Acido succinico
Acido propionico
-H2O+2H
-CO2
BifidobacteriumPropionibacterium
Ácido fórmicoAcetil-S-CoA
CO2
H2
Shigella
CO2 H2
E. coli Salmonella
Clostridium
Acetona
+2H
Isopropanol
Acetoacetil-S-CoA
-CoA-SH
Acido Acético
+4H-CoA-SH
Etanol
+Acetil S-CoA-CoA-SH
+4H
-CoA-SH
-CO2
Butanol
Butiril-S-CoA
Ácido Butirico
-CoA-SH+4H
Fermentación
Efecto Pasteur
Cuando microorganismos
facultativos se están
cultivando anaeróbicamente
y se exponen al oxígeno, hay
una inhibición del consumo
de glucosa, esto es conocido
como efecto Pasteur y refleja el incremento de rendimiento
energético obtenido por el
metabolismo respiratorio de la
glucosa comparado con el obtenido por la fermentación
de la glucosa.
Efecto Crabtree
Se refiere a la inhibición del consumo de oxígeno producido
por aumento en la concentración de glucosa.
Producción de energía
Reacción de
Stickland
Reacción de
Stickland
Clostridium, emplea
aminoácidos como
aceptores y donadores
de hidrógeno para
obtener energía.