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