METABOLISMO ENERGETICO Y FERMENTATIVO

METABOLISMOMETABOLISMOEl término metabolismo se refiere al conjunto de reacciones químicas que tiene lugar en la célula, y tiene 3 funciones específicas a saber:

•- obtener energía química del entorno, almacenarla, para utilizar luego en diferentes funciones celulares,

•-convertir los nutrientes exógenos en unidades precursoras de loscomponentes macromoleculares de la célula bacteriana,

•- formar y degradar moléculas necesarias para funciones celularesespecíficas, como por ejemplo, movilidad y captación de nutrientes.

METABOLISMOEl metabolismo es, entonces, un sistema complejo de reacciones químicas llevadas a cabo por las enzimas que son las responsables de la transformación de los nutrientes en moléculas útiles para la bacteria.

El metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas que permiten el crecimiento de un organismo (por lo tanto, en bacterias, que conduce a la creación de nuevas células). El metabolismo de la célula comprende dos grandes tipos de reacciones:

1. Reacciones de mantenimiento, que suministran

•energía

•poder reductor

•precursores metabólicos

2. Reacciones del anabolismo (biosíntesis), que usan energía y poder reductor procedente de las reacciones de mantenimiento.

El metabolismo, la suma total de todas la reacciones químicas que tienen lugar en la célula, puede dividirse en catabolismo y anabolismo. En catabolismo se reduce la complejidad de las moléculas y se libra energía. El anabolismo requiere el uso de energía libre para aumentar la complejidad de las moléculas.

METABOLISMO CELULARMETABOLISMO CELULAR

METABOLISMO:

la suma de las reacciones químicas dentro de la célula =

CATABOLISMOreacciones de degradación, algunas de las cuales producen energía y materias primas

+

ANABOLISMO:

síntesis en la cual se construyen grandes moléculas complejas a partir de subunidades

Impulsa

El metabolismo celular comprende:

1. Todas las reacciones químicas individuales:

Exergónicas---- Producción de energía

Endergónicas ---Consumen energía

2. Las secuencias de esas reacciones

3. Las relaciones existentes entre las secuencias de reacción, y

4. Los diferentes mecanismos que regulan esas reacciones.

Metabolismo celularMetabolismo celularEl conjunto de las secuencias de reacción pueden clasificarse como:CATABOLICAS (es decir degradadoras) si se considera que los productos terminales de las secuencias de reacción son subunidades o partes del sustrato original. En forma alternativa, si los productos son el resultado de las combinación de dos o más sustratos distintos se considera que la secuencia es ANABOLICA.

Una secuencia de reacciones suele conocerse como VIA METABOLICA.

Algunas vías metabólicas son comunes a todos los organismos o células vivas. Algunas son especialmente activas y reciben como sustratos a los productos de varias otras vías menores activas. A su vez estas vías centrales pueden proporcionar sustratos a varias otras vías menos activas.

VENTAJAS DE LAS RUTAS METABOLICAS1. Se pueden hacer que las reacciones bioquímicas avancen, ya que nunca se alcanza el equilibrio, puesto que los productos se convierten en sustratos de reacciones posteriores.2. Los reactivos pueden modificarse en una serie de pequeñas etapas; de esta forma, la energía se libera en cantidades controladas o se pueden hacer ajustes menores en la estructura de las moléculas. 3. Cada etapa es catalizada por un enzima específico y cada enzima representa un punto para el control de la ruta completa. 4. Las etapas de la ruta pueden disponerse espacialmente de modo que el producto de una reacción esté ubicado de forma ideal para ser el sustrato del siguiente enzima. Esto permite laacumulación de elevadas concentraciones locales de moléculas de sustrato y las reacciones bioquímicas avanzan rápidamente. Una ruta dispuesta de esta forma puede ser catalizada por un complejo multienzimático.

LEYES DE LA TERMODINAMICA

Primera Ley de la Termodinámica

La energía no se crea ni se destruye pero puede convertirse de una forma a otra: durante dicha conversión, la cantidad total de energía del sistema permanece constanteSe aplica a todos los niveles de organización del mundo vivo; se aplica a los organismos, células, organelos y las reacciones químicas individuales que caracterizan el METABOLISMO.

Segunda Ley de la Termodinámica

En todos los procesos que implican cambios de energía dentro de un sistema, la ENTROPIA (medida del grado de desorden de un sistema) de este último aumenta hasta que se alcanza el equilibrio.

METABOLISMO DE CARBOHIDRATOSEn el estudio del metabolismo de los carbohidratos se considerarán:

1. Las rutas usadas para la degradación de carbohidratos.

2. Losa mecanismos usados para la producción de energía en forma de ATP, que es generado ya sea vía:

a. Fosforilación a nivel de sustrato, o

b. Fosforilación oxidativa

3. Los pasos metabólicos en los cuales la actividad reductora es generada y usada:

a. Para reducir el piruvato u otros sustratos en la formación de productos finales, o

b. Para las reacciones de biosíntesis que requieren poder reductor.

4. La producción de intermediarios que sirven como precursores de la síntesis de aminoácidos, purinas y pirimidinas y otros constituyentes celulares vitales.

5. Reacciones anapleuróticas o de reposición de intermediarios para biosíntesis.

6. El efecto del oxígeno en las reacciones metabólicas y de generación de energía, es decir si las reacciones son aeróbicas, anaeróbicas o facultativas.

ANABOLISMOCATABOLISMOHEXOSAS

CO2

ATP

CO2

H2OCO2CO2

1 Vía de la fructosa-1,6-bifosfato2

9

8

3

4

5

6

7

1

2

Monómeros Polímeros (macro-moléculas)

proteínas

polisacáridos

polinucleótidos

(unidades elementales)

aminoácidos

azúcares

nucleótidos

Vía de la pentosafosfato

Vía KDPG

Ciclo de los ácidos tricarboxílicos

Cadena respiratoria

Fosforilación del sustratoO2

9

7

5

6

3

H

H

8

4

Fosforilación oxidativa

Síntesis de monómeros

Síntesis de polímerosEsquema del metabolismo en el que se representa el proceso de degradación de las

hexosas mediante células que utilizan el tipo de respiración aerobia

VIAS CATABOLICASDEGRADACION DE AZUCARES

Sistema EMP

Sistema Entner-Doudoroff (KDPG)

Sistema de Hexosa monofosfato (HMP) Warburg-Dickens)

Sistema de la Fosfocetolasa o heteroláctica

SISTEMA EMBDEM-MEYERHOFF-PARMAS

(EMP) O GLUCOLISISFenómenos que caracterizan a EMP

- Fosforilación preliminar; se consumen 2 ATP

-Rompimiento de la molécula

-Oxidación y formación de enlace fosfatídico de alta energía; se produce NADH y ATP

- Reordenamiento molecular par la formación de un enlace fosfatídico de alta energía, se genera otro ATP

Vía del Monofosfato de Hexosa(Warburg -Dickens) o Pentosas fosfato

•La glucosa 6-P puede convertirse en diversos azúcares, produciéndose NADPH al mismo tiempo.

•Vía que permite usar pentosascomo fuente de energía por organismos que carecen de la enzima FOSFOCETOLASA

•Permite la síntesis de Hexosa ( en bacterias) cuando crecen en pentosas y sintetiza H-7P y E-4P

•Producen precursores para biosíntesis de: Acidos nucleicos, pentosas, aminoácidos aromáticos, vitaminas, ATP.

•Ej. Acetobacter xilinum

Ribulosa 5-P

Ribosa 5-P Xilulosa 5-PTranscetolasa

Transaldolasa

Seudoheptulosa 7-P

Xilulosa 5-PEritrosa 4-P

Vía del Fosfogluconato

Vía ENTNER -DOUDOROFFComienza con las mismas reacciones de las pentosas fosfato. Se forma 2-ceto-3 desoxi-6-fosfogluconato o KDPG

Se produce 1NADPH y 1 NADH por molécula de glucosa metabolizada.La mayoría de las bacterias tienen las vías glucolítica y de las pentosas fosfato, pero algunas sustituyen la glucólisis por la Vía Entner-Doudoroff

Ejemplo:

Pseudomonas G(-)

Streptococcus faecalis G(+)

Rhizobium G(-)

Agrobacterium G(-)

Azotobacter G(-)

FERMENTACION

- Se realiza en ausencia de oxígeno

- Proceso de generación de energía en el cual moléculas orgánicas sirven como dadoras y aceptoras de electrones.

- Proceso que no posee aceptor externo de electrones (sin oxígeno)

- En ausencia de oxígeno puede llegar a un proceso tóxico ya que el NAD debe ser reducido.

.-El NADH2 (reducido) deber ser oxidado y esos hidrógenos deben perderlos.

pH 5-6

Zimomonas movilis

Saccharomices

Mucor, Rhizopus

FERMENTACION

FERMENTACION LACTICA Fermentación homoláctica

Lactobacillus

Usado: Aditivo alimenticio, quesos, yogurth

1- FERMENTACION LACTICALas bacterias lácticas son un grupo heterogéneo de microrganismosanaerobios pero aerotolerantes que fermentan glucosa a ácido láctico como único o mayor producto.

• Incluyen los géneros: Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc, Pediococcus, Sporolactobacillus y Bifidobacterium.

• Son de distribución abundante en la naturaleza

• Tienen gran importancia económica y en algunos casos medica.

• Si bien toleran oxigeno, crecen en glucosa solo de modo fermentativo.

• Derivan ATP de la fosforilación a nivel de sustrato.

HETEROFERMENTATIVA: Emplea la vía de las pentosas en las etapas de decarboxilacion e isomerización. Luego la pentosa se cliva por una fosfocetolasa especifica

También conocida como Sistema de la Fosfocetolas.

Leuconostoc mesenteroidesproduce ácido láctico, etanol, CO2 y eventualmente acetato.

Vía de la Fermentación Acido Mixta

Es característica de muchos miembros de la familia Enterobacteriaceae como E. coli, Salmonella, Proteus y Shigella

Da lugar a la excreción de etanol y de una mezcla compleja de ácidos: acético, láctico, succínico y fórmico.

La relación de producto ácido:neutro es de 4:1

La relación C02: H2 es de 1:1

*No todas las bacterias las presentan.

En enterobacterias (anaerobias facultativas) la adaptación desde un ambiente aerobio al crecimiento en anaerobiosis se acompaña de un conjunto de cambios:

• Las oxidasas terminales son reemplazadas por reductasas

• El ciclo del acido citrico se transforma en reductivo (aparece fumarato reductasa)

• Las células oxidan Pyr a acetilCoA + formato

• Realizan una fermentación mixta o forman butanodiol.

• Serratia, Erwinia y Enterobacter forman 2,3 butanodiol, acetoina, CO2, H2 y etanol.

Escherichia, Salmonella y Shigella producen acidos (succinato, acetato, lactato), CO2, H2 y etanol. Shigella y Erwinia no pueden descomponer formato a CO2 por lo cual no producen gas.

FERMENTACION ACIDO-MIXTA

FERMENTACION 2-3 BUTANODIOL

•Se presenta en Aeromonas y Bacillus

•También en Enterobacterias: Klebsiella y Serratia. Esta última bacteria puede presentar fermentación ácido mixta.

•La relación de producto ácido:neutro es de 1:6

La produccion de 2,3 butanodiol se ve favorecidacuando el medio esligeramente acido pues de estemodo se evita la excesivaformacion de acidos organicos.

PRODUCTOS, REACCIONES Y GRUPOS MICROBIANOS RESPONSABLES DE LOS PROCESOS FERMENTATIVOS MAS IMPORTANTES

Lactico+ etanol+ CO2

Lactobacilos. StreptococcusLeuconostoc

Clostridiumpropionicum y Propioniobacterium

enterobacterias

Zimomonas

levaduras

Clostridiumbutiricum

Los grupos que mas interesan desde el punto de vista alimentario son: enterobacterias y clostridium(Sanitario) y bacterias lacticas , propionibacterias y levaduras (Productivo)

RESUMENEstudiar en libros las nociones básicas (productos, balance energético, microorganismosimplicados, interés industrial) de las siguientes fermentaciones:

- Fermentación alcohólica :glucosa + 2ADP -----> 2 etanol + CO2 + 2 ATP

-Fermentación láctica :Homoláctica: glucosa + 2ADP -----> 2 ác. láctico + 2 ATP

Heteroláctica: glucosa + ADP -----> ác. láctico + etanol + CO2 + ATP

- Fermentación propiónica:glucosa ------> ác. propiónico + ác. acético + CO2 + 3 ATP

- Fermentación ácido-mixta:glucosa ----> lactato + fórmico + acetato + etanol+ CO2 + H2 +ATP

- Fermentación acetona-butanol.glucosa -----> acetona + n-butanol + ác. butírico + CO2 + 2 ATP

FERMENTACION BUTIRICAEs realizada por microorganismos del genero ClostridiumClostridium que fermentan H de C.

Durante la fermentación se producen: ácido butírico, H2, CO2 y pequeñascantidades de acetato.

La secuencia incluye: 1- formación de Pyr (por EMP); 2- Decarboxilacion a AcCoA, CO2 e H2; 3- condensación de AcCoA y reducción, con consumo de losNADH generados previamente.

Algunos Clostridium realizan esta fermentación en sus primeras etapas peroluego, cuando se acumula el acido y el pH desciende, cambian para producirbutanol y acetona, empleando el mismo ácido como sustrato.

Se reconocen pues dos fases (acidogenica y solventogenica) durante el crecimientode estos organismos, que pueden emplear hexosas o pentosas.

A pH menores de 6 se formarán productos neutros y a pH mayores de 6, productos ácidos.

Clostridium butiricum forma ácido butírico e isopropanol.

Clostridium acetobutilicum forma butanol y acetona

Clostridium thermocellum forma etanol y ácido acético.

FERMENTACION DE AMINOACIDOSEsta clase de fermentación es realizada exclusivamente por los clostridios, por ejemplo: Clostridium perfringes. Esta bacteria presenta la REACCION DE STICLAND que viene a ser la reacción acoplada de dos aminoácidos, uno funciona como donador de electrones y el otro como aceptor.

AMINOACIDOS OXIDADOS:

Alanina, leucina, isoleucina, vaina, histidina

AMINOACIDOS REDUCIDOS:

Glicina, prolina, hidroxiprolina, triptofano.

METABOLISMO CELULAR

RESPIRACION CELULAR

RESPIRACION AEROBICA

CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES

BIOLUMINISCENCIARuta alternativa y permite la producción de la luz más que de ATP, por ejemplo, los géneros Beneckea y Photobacterium (bacilos gramnegativos) los cuales presentan la enzima LUCIFERASA y un aldehido alifático de cadena larga ( ej. Dodecanal). La luciferasacapta los electrones de FMN y la luz es emitida cuando la enzimaactivada retorna a su estado original.

FOTOSINTESIS

FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO. FERMENTACIONES

La fosforilación a nivel de sustrato es un sistema usado por ciertas bacterias quimiorganotrofas. El sustrato orgánico (donador de electrones) es oxidado por un coenzima (p. ej., NAD+), de manera que se origina un intermediario no fosforilado con una gran energía de hidrólisis. Dicho intermediario experimenta una sustitución con un fosfato, para dar la correspondiente forma acil-fosfato (siendo este enlace de alta energía). Finalmente, este acil-fosfato dona su fosfato de alta energía al ADP, que pasa a ATP.

gliceraldehido-3-P-->1,3-difosfoglicérico -->3-fosfoglicéricoLa fosforilación a nivel de sustrato está acoplada a un proceso metabólico denominado FermentaciónFermentación.. Durante la fermentación, el sustrato orgánico reducido (DH2) es catabolizado, de modo que se produce ATP. Este catabolismo genera, además:

• equivalentes de reducción (en forma de NADH y otros cofactores reducidos), e

• intermediarios oxidados de la ruta catabólica.

Pues bien, es característico de las fermentaciones que los equivalentes de reducción reaccionen con uno de esos intermediarios (A), que de este modo se reduce a AH2 (producto de la fermentación), regenerándose el cofactor en forma oxidada (NAD+) para el siguiente ciclo.

El rendimiento de las fermentaciones, expresado como variación de energía libre, es bajo. En la fermentación homoláctica se producen 2 moles de ATP por cada mol de glucosa consumido (frente a los 28 moles de ATP/mol de glucosa en la respiración aerobia). Esto significa que para que el microorganismo crezca en estas condiciones, degrada grandes cantidades de sustrato fermentable.

Las fermentaciones se dan en determinados microorganismos quimiorganotrofos, que pueden ser anaerobios obligados o anaerobios facultativos (cuando crecen en ausencia de O2).Hay una gran variedad de fermentaciones microbianas, y cada tipo libera uno o varios productos de fermentación característicos. Algunos ejemplos:Fermentación láctica Lactato

Fermentación alcohólica Etanol, CO2

Fermentación ácida-mixta Etanol, succinato, acetato, formiato, lactato, CO2, H2

Fermentación butilénglicólica Butilénglicol, CO2

Fermentación aceto-butírica Acetato, acetona, butirato, butanol, etanol, CO2, H2

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. RESPIRACIONES

Respiración es la obtención de energía por oxidación de sustratos orgánicos (en quimiorganotrofas) o inorgánicos (quimiolitotrofas), pero los coenzimas reducidos (ej., NADH) transfieren los electrones a un aceptor final oxidado, no directamente (como en la fermentación), sino a través de una cadena transportadora de electrones.

Si el aceptor final es el O2, hablamos de respiración aerobia;

Si el aceptor final es distinto del O2 (nitrato, sulfato, etc.), respiración anaerobia.

En ambos casos, la transferencia se da ordenadamente, en la dirección de mayor potencial redox positivo, con la consiguiente liberación de energía libre. Como veremos enseguida, esta energía libre se va a traducir en un potencial electroquímico de protones, cuya disipación a través de ATP-asas de membrana origina ATP, conociéndose este proceso como fosforilación oxidativa.

Esquema y balance de la fosforilación oxidativa

Como el alumno seguramente sabrá, el mecanismo de la fosforilación oxidativa se suele explicar en base a la teoría quimiosmótica de Mitchell (1961 y años siguientes).

Recordemos que la c.t.e. está formada por una serie ordenada de moléculas transportadoras situadas (en bacterias) en la membrana citoplásmica (y en sus invaginaciones), moléculas que sufren oxidaciones y reducciones reversibles:

DH2 + A ---------> AH2 + D

Principales tipos de componentes de las c.t.e. respiratorias

flavoproteínas (Fp), dotadas de grupos FAD o FMN

proteínas no hémicas de Fe-S

quinonas:

ubiquinona (UQ)

menaquinona (MQ), más frecuente en bacterias Gram-positivas.

citocromos (proteínas hémicas con Fe quelado).

Observar que algunos de estos transportadores transportan átomos de H (o sea, protones y electrones), mientras que otros transportan únicamente electrones.

La situación de los transportadores dentro de la membrana es asimétrica, lo que condiciona que el transporte sea un proceso vectorial (es decir, tiene un sentido determinado), de modo que los H salen hacia afuera y los electrones tienden a entrar al interior.

Como resultado de todo ello, tenemos que existen determinados puntos de la c.t.e. (llamados bucles o lazos translocadores de protones) en los que el efecto neto es la salida de protones al exterior de la membrana citoplásmica (concretamente, en los puntos donde confluyen un transportador de H y otro de electrones). Es decir, existe una translocación de protones hacia el exterior ligada a las reacciones redox que ocurren en la c.t.e.

síntesis de ATP a partir del gradiente de protones:

La síntesis de ATP ocurre gracias al complejo ATP-asa, funcionando como ATP-sintetasa. Este complejo consta de varios polipéptidos que conforman dos porciones: la hidrofóbica BF0, inserta en la membrana citoplásmica, y la BF1 a modo de tallo que se proyecta hacia el interior celular.

La porción BF0 forma un canal a través de la membrana, por donde pueden pasar H+ desde el exterior al interior, y agua desde dentro hacia afuera.

La porción BF1 es la parte enzimáticamente activa del complejo.

Esencialmente, el mecanismo consiste en que la disipación del gradiente de protones a través de BF0 suministra la energía para la síntesis de ATP por parte de la BF1. La reacción se puede expresar así:

2H+ (ext) + ADP (int) + P (int) -------> 2H+ (int) + ATP (int) + H2O (ext)

El balance final del funcionamiento de la c.t.e. es:

DH2(int) + A(int) + ADP(int) + P(int) D(int) + AH2 + ATP(int) + H2O (ext)

El esquema anterior hace referencia al funcionamiento de una cadena transportadora con un solo bucle translocador de protones. Pero en la realidad las c.t.e. suelen poseer más de uno de estos bucles.

Véase en la Fig. la c.t.e. de Paracoccus, una bacteria que posee un sistema similar al de las mitocondrias, donde se observan 3 sitios donde termodinámicamente la variación de energía libre es suficiente para apoyar la síntesis de una molécula de ATP.

Véase también la c.t.e. de E. coli, cuando usa el O2 como aceptor final de electrones. En esta cadena podemos constatar algo relativamente frecuente en las cadenas bacterianas:

En los quimiolitotrofos, la c.t.e. respiratoria funciona en los dos sentidos:

•En su sentido "normal", ya estudiado. Un donador inorgánico de electrones cede electrones, que llegan a la c.t.e., que crea un gradiente de protones, cuya disipación a través de ATP-asa genera ATP;

•Pero estas bacterias necesitan equivalentes de reducción (NADPH) para reducir el CO2 (su fuente exclusiva de C) hasta material orgánico celular [CH2O]. Este NADPH lo logran merced a un flujo invertido de electrones a través de la c.t.e., usando para ello como energía parte del potencial de protones generado por el flujo normal.

Por otro lado, la membrana es impermeable a los protones, por lo que los protones translocados a resultas del funcionamiento de las c.t.e. no pueden entrar directamente. Por lo tanto, se crea un gradiente electroquímico de protones, compuesto de gradiente osmótico de esos iones H+ (∆pH) y un gradiente de carga eléctrica (∆ψ ). Este gradiente es una forma de energía potencial que puede realizar trabajo.

El valor de este gradiente electroquímico de protones o fuerza protón motriz (f.p.m.) es:

∆p = ∆ ψ -Z·∆H (expresado en milivoltios, mV),

donde Z = 2,3 R·T/F, siendo R= constante de los gases, T= temperatura absoluta, F= constante de Faraday

Como ya dijimos, esta ∆p (f.p.m.) es capaz de realizar trabajo, bajo la forma de:

transporte activo,

alimentar el motor flagelar

síntesis de ATP.