Nutrición y Metabolismo de Procariotas

Bibliografía:

Brock. Cap 5. Nutrición, cultivo y metabolismo microbiano.

“No man can make you feel inferior without your consent."— Eleanor Roosevelt

Estructura de la Clase

• Metabolismo: catabolismo y anabolismo

• Nutrición microbiana (heterótrofos)

•Micronutrientes

•Macronutrientes

•Factores de crecimiento

• Medios de cultivo

• Energía:

Reacciones REDOX

Potencial de reducción

Transportadores de e-

Formas de almacenamiento de energía.

Metabolismo Celular

Es la suma de todas las reacciones químicas que ocurren en la célula.

Anabolismo: Biosíntesis de macromoléculas y polímeros.Requiere energía.

Catabolismo: Ruptura de macromoléculasProduce monómerosLibera energía.

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Nutrientes: compuestos químicos necesarios para formar las macromoléculas.

Nutrición microbiana

- Macronutrientes: se precisan en grandes cantidades:C, N, P, S, K, Mg, Ca, Na

- Micronutrientes: en menores cantidades o en cantidades trazas.

No todos se requieren en iguales cantidades y distintos procariotas requieren algunos más específicos.

• Nos centraremos en los organismos heterótrofos.

Tabla Periódica Microbiana

• Carbono -puede obtenerse de:

compuestos orgánicos carbonados (heterótrofos)CO2 (autótrofos)

- C es el 50% del peso seco. - Requerido para proteínas, lípidos y azúcares.

Macronutrientes

• Nitrógeno - es 12% del peso seco. - En la naturaleza esta en forma:

- orgánica (menor parte): compuestos orgánicos nitrogenados.- inorgánica: amoníaco (NH3), nitratos (NO3

-) o N2.

• Se utiliza para amino acidos y ácidos nucleicos.• La mayoría de los procariotas usan amoníaco, y algunas nitratos.• El N2 gaseoso puede ser usado por las bacterias fijadoras de N2.

• S (azufre) - se necesita en algunos amino ácidos y vitaminas. - Disponible mayormente como S inorgánico:

sulfatos (SO4=) o sulfuros (HS-).

- Algunas bacterias degradan proteínas.

Macronutrientes

• Fósforo P- El fósforo se encuentra como ion fosfato (PO4

-3) en fosfatos orgánicos o inorgánicos. - Se utiliza en ácidos nucleicos y fosfolípidos.

• Magnesio- estabiliza ribosomas, membranas y ácidos nucleicos.- importante para la actividad de enzimas

• Potasio (K) - es necesario en algunas enzimas.

• Calcio (Ca), importante para algunos en membranas y endosporas.• Sodio (Na) necesario para organismos marinos.

Macronutrientes

• El hierro (Fe) fundamental en respiración (citocromos y proteinas Fe-S)

- en condiciones anaeróbicas: hierro en estado de oxidación +2 (ferroso) es soluble.

- en condiciones aeróbicas: en estado de oxidación +3 (férrico)forma minerales insolubles.

Sideróforos: son agentes quelantes producidos por procariotas, que solubilizan el hierro de los minerales y lo transportan dentro de la célula.

Fuente: Brock

Micronutrientes Son metales. Muchos tienen función estructural en enzimas.

Factores de crecimiento:

• Compuestos orgánicos que se requieren en pequeñas cantidades.• Ej. vitaminas, aminoácidos, purinas, pirimidinas.• Muchos microorganismos son capaces de sintetizarlos, otros no.

Cultivo de microorganismos

Medios de cultivo :- Químicamente definidos- Complejos

Tipos de cultivo:- en medio sólido- en medios líquidos

Un medio de cultivo incluye:- Fuente de Energía- Macronutrientes esenciales- Micronutrientes esenciales- Factores de crecimiento.

Energía

La Energía celular se obtiene de reacciones redox y

se conserva en compuestos ricos en energía.

Oxidación: pérdida de electrones por parte de una substancia.

Reducción: ganancia de electrones.

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Reacciones de oxidación- reducción (redox)

En las reacciones redox, los e- cedidos por un donador son aceptadas por un aceptor. Para que ocurra una reducción, debe ocurrir una oxidación acoplada.

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Compuestos que se oxidan son dadores de e-.

Compuestos que se reducen son aceptores de e-.

Ejemplo de reacción Redox

• En gral, la transferencia de electrones va acompañada de la transferencia de átomos de H: un protón H+.

Potenciales de reducción (Eo’):

Forma oxidada + e- Forma reducida [Eo’ = potencial de reducción]

Ejemplos:

• 2H+ + 2 e- H2 Eo < 0 [Eo = -0,42]

• 1/2 O2 + 2e- + 2H+ H2O Eo >0 [Eo = +0,81]

Es la tendencia de una sustancia a oxidarse o reducirse. La tendencia se expresa como el potencial de reducción de la media reacción, medida en Voltios y en referencia a una sustancia standard: H2 y bajo condiciones standard.

Eo’ < 0, entonces la reacción tiende a ir en sentido contrario: oxidación. Eo’ > 0, la reacción tiende a reducción.

• Por convención, los Eo se expresan como reducciones a pH=7.

H2 es un gran dador de e- y un gran agente reductor

O2 es un gran aceptor de e- y un gran agente oxidante

La Torre Redox

Par redox:Forma oxidada/reducida

Convención:

Reductores + fuertes(donantes de e-)

Oxidantes + fuertes(aceptores de e-)

Para construir reacciones redox:

La sustancia reducida de un par redox con Eo más negativo dona e- (reduce) a la sustancia oxidada de un par redox con Eo más positivo.

Preguntas

Es el nitrato un mejor aceptor de e- que el fumarato? Por qué?

Reconozca los compuestos presentes en la cadena transportadora de e- de la respiración en nuestras mitocondrias, en el orden apropiado.

El Fe puede actuar como aceptor o donante de e- dependiendo de la sustancia con la que reaccione en el par redox. De un ejemplo de cada situación.

Quién es el donante de e- y quién el aceptor en la siguiente reacción redox?

H2 + NO3 NO2- + H2O

Potenciales de reducción

• El donador de e- es como una fuente de E, ya que en la reacción de donación de e-, se libera energía.• Cuánta mayor diferencia en Eo, mayor E liberada.

Compuestos ceden e-

Energía

Almacenamiento

Fuente de E

Transportadores de E

La reacción redox puede requerir intermediarios en la transferencia de e-,

llamados transportadores.

Hay 2 tipos de transportadores:

• Grupos prostéticos: transportadores anclados en la membrana plasmática.

Ejemplo: proteínas de FeS, citocromos, quinonas.

• Coenzimas: transportadores que difunden libremente Ejemplo. NAD+ y NADP+, transportan 2 e- y 2 H+

- NADH y NADPH son buenos donantes de e-

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La E liberada en reacciones redox es almacenada en enlaces fosfato de alta energía, en compuestos fosforilados: ATP

Almacenamiento de Energía

Las reacciones redox previas a la síntesis de ATP, pueden ser differentes:

Fosforilación a nivel sustrato:

Otros compuestos no fosforilados son intermediarios en la síntesis de ATP.

• Energía liberada de la hidrólisis de coA es almacenada en ATP.• Importante en organismos anaerobios, en la fermentacón.

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Fosforilación oxidativa:

El último aceptor de e- es el O2.

ATP se forma por una fuerza H+ motriz.

Fotofosforilación:

En organismos fotótrofos

ATP se forma por una fuerza H+ motriz.

Almacenamiento a largo plazo: polímeros insolubles.

Ejemplos:

- bacterias y archaea: glucógeno, poli-B-hidroxibutirato, So

- eucariotas: almidón, lípidos, glucógeno.

Almacenamiento de Energía

Metabolismo en procariotas

Luz Compuestos Inorgánicos

Compuestos Orgánicos

CO2

Compuestos orgánicos Heterótrofo

Autótrofo

Energía

Carbono

Fuente

Fotótrofo Quimiolitótrofo Quimioorganótrofo

Fotoautótrofo Autoquimiolitótrofo

Fotoheterótrofo (pocos)

Mixótrofo (algunos) Quimioorganótrofo

Qué clase de metabolismo tenemos nosotros? Y las plantas? Y los hongos?