Post on 07-Dec-2015
Microbiología Ambiental TEORIA 3-2015II
Metabolismo-Crecimiento
Blga. Alicia R. Cañari Miranda
alicia_canari@hotmail.com
Sólo para los que saben salir adelante….
3ra unidad
-Metabolismo y Crecimiento Microbiano. Metabolismo y Conversión de la energía
-Cinética de crecimiento. Efecto de los factores ambientales sobre el crecimiento
Capacidad
-Identificar las características del Metabolismo Microbiano
-Identificar las características del Crecimiento Microbiano
NUTRIENTES
NUTRICIÓN BACTERIANA
METABOLISMO
BIOSÍNTESIS
ENERGÍA
Modelos nutricionales TIPOS DE ORGANISMO ORIGEN DE LA
ENERGÍA
ORIGEN DEL CARBONO EJEMPLO DE ORGANISMOS
Fotolitótrofo (fotoautótrofo = autótrofo fotosintético)
Luz CO2 Plantas superiores, algas, cianobacterias, bacterias purpúreas del azufre y bacterias verdes del azufre
Fotoorganotrofos (fotoheterotrofo= heterótrofo fotosintético)
Luz Orgánico Bacterias purpúreas no azufradas
Quimiolitótrofos (quimioautótrofos = autótrofo quimiosintético)
Reacciones químicas C. inorgánicos
CO2 Bacterias nitrificantes, bacterias incoloras del azufre
Quimioorganotrofos (quimioheterotrofos o heterotrofo típico)
Reacciones químicas C. orgánicos
Orgánico Animales, hongos, protozoos, muchas bacterias
METABOLISMO
Conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren en un organismo, incluyendo su coordinación, regulación y necesidades energéticas
El metabolismo es un proceso de transformación de energía donde el catabolismo proporciona la energía requerida para el anabolismo
Energía para el movimiento, transporte de nutrientes, etc.
Catabolismo
Productos de desecho
Componentes celulares
Nutrientes
Anabolismo
Energía para el desarrollo
Fuente de energía
-El acoplamiento entre reacciones consumidoras de energía y reacciones productoras de energía se consigue a través del Adenosin trifosfato: ATP
-El ATP almacena la energía derivada de las reacciones catabólicas y posteriormente la libera para permitir reacciones anabólicas
Las rutas catabólicas obtienen energía, las anabólicas la usan
Proceso metabólico
Energía
ATP
Enzimas
Rutas metabólicas
Requerimientos celulares
Materia y Energía
Materia: todo lo que tiene masa, volumen y ocupa un lugar en el espacio
Energía: La capacidad de un sistema para realizar un trabajo
Clases de Energía: mecánica, eléctrica, potencial, química, calorífica, lumínica etc.
1. Energía Cinética (movimiento): Movimiento de la masa o de las partículas
•La luz (movimiento de fotones)
•El calor (movimiento de moléculas)
•La electricidad (movimiento de electrones)
•El movimiento de objetos
Tipos de Energía
2. Energía Potencial (almacenada):
Es la capacidad de hacer trabajo en virtud de la posición o estado de una masa o partícula.
• E. Química (almacenada en los enlaces: carbohidratos y grasas)
• E. Eléctrica (almacenada en baterías)
• E. de Posición (agua en una represa)
Síntesis
Mecánico
Concentración
Calor
Luz
Eléctrico
Flujo de la Energía
Depende de:
Cantidad de E inicialmente disponible
Utilidad de la E
Se rige por la leyes de la Termodinámica
Leyes de la Termodinámica
Describen las propiedades y el comportamiento de la Energía en los sistemas.
Leyes Termodinámicas
Primera Ley: Conservación de la energía
La energía total del universo permanece constante, aunque puede cambiar
En una célula, la cantidad total de energía que sale, debe ser exactamente igual a la que entra, menos la energía que quede almacenada en el sistema
Segunda Ley: Espontaneidad termodinámica
En cada cambio físico o químico, se incrementa la aleatoriedad (desorden) del universo
Toda reacción espontánea obtiene como resultado disminuir el contenido de energía libre del sistema
Leyes Termodinámicas
Fuentes de Energía
El Sol proporciona el 99% de toda la energía utilizada por los seres vivos en la Tierra.
Esta fluye a través de los ecosistemas, en procesos cíclicos de utilización y reciclaje.
Pérdidas de
calor
Energía
solar
Aumento de E. Libre
Disminución entropía
Pérdidas de
calor
Disminución de E. Libre
Aumento entropía
Fotótrofos Quimiótrofos
Compuestos
orgánicos
Oxígeno
Agua
Dióxido de carbono
Nitrato
Energía química
Flujo de energía y materia
Energía: unidireccional
Materia: cíclico
Catabolismo
Moléculas complejas
-Polisacáridos
-Lípidos
-proteínas
Moléculas sencillas
-Glucosa
-Ácidos grasos
-aminoácidos
Moléculas inorgánicas
-CO2
-H2O
-NH3
ENERGÍA ENERGÍA
La energía se produce
por ruptura de enlaces
Anabolismo
Moléculas sencillas
-Glucosa
-Ácidos grasos
-aminoácidos
Moléculas complejas
-Polisacáridos
-Lípidos
-proteínas
ENERGÍA Parte de la energía
producida en los
procesos catabólicos
se aprovecha en el
anabolismo. Otra parte
es utilizada en las
funciones fisiológicas
de la célula.
TRANSPORTADORES DE ENERGÍA
Compuestos ricos en energía :
Adenosina trifosfato ( ATP )
Guanosina trifosfato ( GTP )
Acetil fosfato
Ácido 1,3-difosfoglicérido
Ácido fosfoenolpirúvico ( PEP )
COMPUESTOS RICOS EN ENERGÍA
La célula microbiana utiliza la energía para:
El movimiento.
La producción de calor.
La electricidad.
Bioluminiscencia.
La célula microbiana utiliza la energía química para :
Sintetizar grandes moléculas a partir de
otras más pequeñas.
• Transportar sustancias hacia la célula microbiana y organizarlas en su interior.
Sacar las sustancias de desecho de la célula microbiana o para realizar la secreción
• El trabajo mecánico de
las célula microbianas.
OBTENCIÓN DE LA ENERGÍA CELULAR
La célula microbiana obtiene su energía de dos maneras :
Degradando compuestos y liberando su energía
Almacenando la energía lumínica del sol mediante el proceso de fotosíntesis.
Los procesos por los cuales los microorganismos obtienen su energía son:
FOTOSÍNTESIS
QUIMIOSÍNTESIS
RESPIRACIÓN
Aeróbica
Anaeróbica
Fermentación
Anabolismo
Catabolismo
RESPIRACIÓN: Proceso por el cual la célula
microbiana libera la energía almacenada en los
alimentos.
• Este proceso ocurre en las mitocondrias en la mayoría
de las células eucariotes o en la membrana celular de
las células procariotes
Tipos de respiración
I Respiración celular: oxidación completa, el aceptor final de e- es un compuesto inorgánico. Mitocondrias
Respiración aerobia: O2
Respiración anaerobia: ion nitrato, sulfato
II Fermentación: oxidación incompleta, el aceptor final de e- es otro compuesto orgánico. Citoplasma
Fermentación: compuesto orgánico
-Según la naturaleza de la molécula que se oxida hablamos de
*Catabolismo de glúcidos,
*Lípidos,
*Proteínas y
*Ácidos nucleicos.
CATABOLISMO DE GLÚCIDOS
-La mayoría de los microorganismos oxidan azúcares para obtener la mayor parte de la energía celular.
-La glucosa es la fuente de energía más utilizada por las células.
-Para producir energía a partir de glucosa, los microorganismos utilizan 2 procesos: la respiración y la fermentación.
-La primera etapa de ambos es la oxidación de glucosa hasta ácido pirúvico por las siguientes vías:
1.Embden-Meyerhof (glucólisis); vía más utilizada 2. Pentosa fosfato 3. Entner Doudoroff
RESPIRACIÓN AEROBIA
C6H12O6 + 6 O2
Enzimas
6CO2 +6 H2O+Energía (38 ATP)
G = -686 Kcal
La glucólisis, ruta metabólica común a
todos los organismos
-La glucólisis se produce por igual en los organismos aerobios y en los anaerobios. Lo que marca la diferencia entre ellos es el destino final del ácido pirúvico generado:
-Si la vía es aerobia, el pirúvico entra en las mitocondrias y es oxidado completamente a CO2 y H2O, gracias al ciclo de Krebs y a la cadena respiratoria.
-Si la vía es anaerobia, el piruvato sigue la vía de las fermentaciones reduciéndose a otros compuestos orgánicos como etanol o ácido láctico.
RESPIRACIÓN AEROBIA
-La respiración aerobia, en el catabolismo de los glúcidos, consiste en la oxidación total del ácido pirúvico
-Las etapas de la respiración aerobia son:
A)Formación de acetil-CoA
B)Ciclo de Krebs
C)Cadena transportadora de electrones. Fosforilación oxidativa
A) Por cada molécula de glucosa inicial se producen 2 acetil-CoA, 2 CO2 y 2 (NADH + H+).
B) Ciclo de Krebs
-El acetil-CoA se incorpora al ciclo de Krebs, también llamado ciclo del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos, donde se produce la oxidación completa del acetil-CoA hasta CO2
Ciclo de Krebs
o
Ciclo del ácido
tricarboxílico (ATC)
C) Cadena respiratoria. Fosforilación oxidativa
-El ciclo de Krebs es propio de la respiración aerobia.
-El Oxígeno interviene como aceptor final de los e- captados por el NADH + H+ y el FADH2
-La transferencia de e- no se hace de forma inmediata, sino a través de una serie de transportadores que forman la cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria.
En la respiración los electrones son transferidos de manera secuencial a través de una serie de proteínas transportadoras adosadas a la membrana celular.
Esta es la cadena de transporte de electrones.
Los electrones son eliminados de los transportadores de energía por medio de la reducción de algún aceptor terminal de electrones como:
el oxígeno (en la respiración aeróbica)
nitrógeno, sulfato o dióxido de carbono (en la respiración anaeróbica).
NADH2
NAD+
Sustancia reducida Sustancia oxidada
ATP
ATP
ATP
FADH2 FAD
FMN
FMNH2
CoQ CoQH2
H+
Flavoproteína
ADP + P
ADP + P
ADP + P
Coenzima Q
Citocromo b-
Citocromo c1-
Citocromo c-
Citocromo a-/a3
Fe+2
Fe+3
Fe+2
Fe+3
Fe+3
Fe+2
Fe+2
Fe+3
O2 H2O
La cadena se acopla al ciclo de Krebs para convertir la energía liberada en él, en ATP--> fosforilación oxidativa.
Capta electrones a partir de compuestos reducidos y los transfiere al aceptor final, el oxígeno, con la consiguiente formación de agua.
CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO
Secuencia de reacciones de oxidación-reducción para la generación de ATP.
El rendimiento total en ATP por respiración aeróbica a partir de una molécula de glucosa
La oxidación completa de la glucosa, vía glucólisis, ciclo ATC y cadena respiratoria, se resume en la reacción siguiente:
C6H12O6 + 6O2
6CO2 + 6H2O + 38 ATP (= 686 Kcal)
RESPIRACIONES ANAEROBIAS
El oxígeno gaseoso no interviene.
El aceptor de electrones es un compuesto distinto al oxígeno.
Cuando el aceptor es un compuesto orgánico se denomina fermentación
Cuando es inorgánico respiración anaerobia
En ausencia de oxígeno
Bacterias anaerobias, células del músculo esquelético…
En estas células se produce un fenómeno llamado Fermentación
Fermentación alcohólica
Fermentación láctica
Glucosa
(C6H12O6)
2x Ácido Láctico (3C) + 2 ATP
+ 2x CO2 + 2x ATP
Glucosa
(C6H12O6)
2x Etanol (CH3CH2OH)
RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LAS FERMENTACIONES
-El rendimiento energético de las fermentaciones es muy bajo, ya que se trata de una oxidación incompleta del sustrato, que origina como productos finales moléculas orgánicas que aún tienen un gran contenido energético.
-Si comparamos la fermentación y la respiración aerobia de una molécula de glucosa, en la primera se obtienen sólo 2 ATP, mientras que en la segunda, 38 ATP.
GLUCOSA
Ácido pirúvico Ácido acético + Ácido fórmico
Ácido succínico
Ácido acético Acetona
Acetil CoA Ácido fórmico
Alcohol etílico CO2 Ácido acético H2
Diferentes rutas de fermentación
Catabolismo de lípidos y aminoácidos
Lípidos
Carbohidratos
Aminoácidos
Acetil CoA
NH3, H2O
CO2, H2O
CO2, H2O
Excreción
Krebs Cadena de
Tte de
electrones
ANABOLISMO
-La ruta de síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas sencillas
-Si las moléculas iniciales son inorgánicas, por ejemplo, H2O, C02, NOˉ3, etc., se denomina anabolismo autótrofo,
-Si son orgánicas, por ejemplo glucosa, aminoácidos, nucleótidos, etc., se denomina anabolismo heterótrofo
Anabolismo
Anabolismo Autotrófico
Fotosíntesis
Quimiosíntesis
Anabolismo Heterotrófico
FOTOSÍNTESIS
La fotosíntesis es el proceso que convierte la energía lumínica en energía química
(CH2O )x + O2 + H2O Carbohidrato
CO2 + 2 H2O
En presencia de luz y clorofila
Estructura del cloroplasto y de las membranas fotosintéticas.
Los organismos fotosintéticos procariotes y eucariotes poseen sacos aplanados o vesículas llamadas tilacoides, que contienen los pigmentos fotosintéticos. Los tilacoides se encuentran al interior de los cloroplastos.
Solamente los cloroplastos de los eucariontes están rodeados por una doble membrana.
Fotosíntesis: reacciones de luz y oscuridad
No necesitan nutrientes orgánicos porque utilizan CO2 para producir sus nutrientes
Obtienen la energía de la oxidación de compuestos inorgánicos como hidrógeno molecular, amoníaco, nitrito, tiosulfato, etc.
Los electrones resultantes entran en la cadena respiratoria con producción de ATP.
LAS BACTERIAS QUIMIOSINTÉTICAS
CRECIMIENTO MICROBIANO Crecimiento microbiano es el aumento en número de células (y no en tamaño).
División celular por fisión binaria
Tiempo de generación: el tiempo transcurrido desde que una célula se divide y da 2 nuevas células. Varía entre 0.5-6 horas.
Crecimiento exponencial
Curva de Crecimiento Es la tasa de crecimiento de una población analizada en un sistema cerrado, monofásico, medida como el logaritmo del número de células vs. el tiempo de incubación.
• Fase de latencia: es un período de inactividad en el cual las células se adaptan al nuevo ambiente.
• Fase exponencial: es un período donde los organismos crecen a su tasa máxima.
• Fase estacionaria: el número de células vivas se mantiene constante. Tasa de Nacimientos = Tasa de muerte. Se debe a la falta de nutrientes, deshechos tóxicos, etc.
• Fase de muerte: los organismos mueren a una tasa exponencial.
Efecto de los factores ambientales sobre el crecimiento
-Temperatura
-pH
-Disponibilidad del agua
-Disponibilidad del oxígeno
Temperatura
-Psicrófilos, con temperaturas óptimas bajas,
-Mesófilos, con temperaturas óptimas medianas,
-Termófilos, con temperaturas óptimas más altas,
-Hipertermófilos o termófilos extremos, con temperaturas muy altas.
Al igual que con la Tº cada microorganismo tiene un rango de pH dentro del que se puede desarrollar. A diferencia de la temperatura, el pH óptimo de desarrollo suele ser un valor muy bien definido para cada microorganismo. Acidófilos: Son los microorganismos que viven a valores de pH por debajo de 2. En general los hongos tienden a tolerar valores de pH más ácidos que las eubacterias. Alcalófilos: Son aquellos microorganismos que viven a valores de pH superiores a 10. Neutrófilos: Son aquellos microorganismos que viven a valores de pH cercano a la neutralidad (pH 6.0 a 8.0). INDEPENDIENTE DEL Ph DEL AMBIENTE, EL INTERIOR DE LA CÉLULA DEBE ESTAR CERCANO A UN VALOR 7.
Acidez y alcalinidad
Para el crecimiento microbiano es fundamental contar con agua para realizar todas las reacciones bioquímicas y enzimáticas. El agua difunde siempre desde una zona de alta concentración (baja concentración de solutos) a una zona de baja concentración de agua (alta concentración de solutos). La actividad de agua depende de la disponibilidad de ésta en el medio ambiente y de la concentración de solutos presentes en ella. Por lo que se relaciona bien con las concentraciones de NaCl.
Actividad del agua
HALÓFILOS: Microorganismos que requieren del ion sodio para desarrollarse. Halófilos discretos (1-6 %) Halófilos moderados (6-15 %) Halófilos extremos (15-30 %) OSMÓFILOS: Microorganismos que viven en presencia de altos valores de azúcares XERÓFILOS: Microorganismos que viven en presencia de alta sequedad o ausencia de agua.
Autótrofos Los microorganismos que son patógenos son considerados HETERÓTROFOS. Esto significa que, ellos requieren de: Carbono Nitrógeno Azufre Microelementos Todos estos elementos están disponibles para ellos en medios de cultivos preparados en el laboratorio en función a sus requerimientos nutricionales
Nutrientes
AEROBIOS: Microorganismos que viven en ambientes con tensiones normales de oxígeno (21 % de O2). MICROAERÓFILOS: Microorganismos que viven en presencia de niveles de oxígeno que están bajo la concentración presente en el aire (<21 %). ANAEROBIOS FACULTATIVOS: Microorganismos que pueden vivir en ausencia de oxígeno o en su presencia. ANAEROBIOS OBLIGADOS: Microorganismos incapaces de crecer en presencia de O2.
Oxígeno
Tarea: Teoría 3
1.-Desarrolle y explique el Catabolismo de: Lípidos, Proteínas, Ácidos nucleicos
2.-Desarrolle y explique la Biosíntesis de: Polisacáridos, Lípidos, Aminoácidos, Fotosíntesis
3.-Investigue sobre bacterias fotosintéticas
4.-Investigue sobre bacterias quimiosintéticas