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5/20/2018 Actividad 3 Mapa Conceptual Unidad 2
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Tema 4.- Principios generales demetabolismo, respiracin y
fermentacinMicrobiologa GeneralCurso 2008-2009
5/20/2018 Actividad 3 Mapa Conceptual Unidad 2
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Principios generales de metabolismo, respiracin
y fermentacin Esquema general de metabolismo. Catabolismo y anabolismo. Metabolismo primario y secundario. Categoras de microorganismos segn su metabolismo. Mecanismos de generacin de energa:
fotosntesis fosforilacin oxidativa fosforilacin a nivel de substrato
Conceptos de respiracin y fermentacin.
Respiracin aerobia y anaerobia. Metabolismo central: catabolismo y anabolismo Diversidad de fermentaciones:
alcohlica, homolctica,
heterolctica, cido-mixta, butanodilica, Propinica acetona-butanol.
Otras fermentaciones. Metabolismo secundario. Fijacin de nitrgeno.
MICGRAL2007
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Esquema general de metabolismo
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Kenneth Todar University of Wisconsin-Madison Department of Bacteriology
Esquema general de metabolismo
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Categoras de los organismos segn su
metabolismo
LuzEnlacesqumicos
Fuente deEnerga
Fuente de
carbono
Orgnico
(azcares, lpidos,aminocidos)
Inorgnico
(CO2)
Foto - Quimio -
- lito - - organo -
Fotolitotrofos
PlantasBacterias y arqueas
fotosintticas
Quimiolitotrofos
BacteriasArqueas
Fotoorganotrofos
BacteriasArqueas
Quimioorganotrofos
Bacterias, Arqueas,Hongos y Animales
MICGRAL2007
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Categoras de los organismos segn su
metabolismoLuz Enlacesqumicos
Fuente deEnerga Foto - Quimio -
Fuente decarbono
Orgnico(azcares, lpidos,
aminocidos)
Inorgnico(CO2)
- lito - - organo -
Fotolitotrofos Quimiolitotrofos Fotoorganotrofos Quimioorganotrofos
PlantasBacterias y arqueas
fotosintticas
BacteriasArqueas
BacteriasArqueas
Bacterias, Arqueas,Hongos y Animales
Lwoff, van Niel, Ryass, Tatum (1946)
Auttrofo: capaz de sintetizar sus propios metabolitos esencialesHetertrofo: incapaz de sintetizar sus propios metabolitos esenciales
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Autotrophs
Heterotrophs:
Light Inorganic Photoautotroph Most photosynthetic bacteria,e.g.Chromatium(anaerobic),Cyanobacteria(aerobic)
Inorganic InorganicChemolithotrophic
autotroph
(chemoautotroph)
Nitrobacter
Organic Inorganic Chemoorganotrophicautotroph Pseudomonas oxalaticus
Light Organic Photoheterotroph Purple and greenphotosynthetic bacteria,e.g. Rhodospirillum
Inorganic Organic Chemolithotrophicheterotroph ("mixotroph") Desulphovibrio
EnergySource
CarbonSource Name Example
Organic Organic (Chemo)heterotroph E. coli
Categoras de los organismos segn su
metabolismo
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Mecanismos de generacin de energa fotofosforilacin: fotosntesis fosforilacin oxidativa fosforilacin a nivel de substrato
FosforilacinAMP-P + Pi AMP~PP
E
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Mecanismos de generacin de energa fotosntesis
Fotosntesis anoxignica
Slo PSI Bacterias rojas y prpura
Fotosntesis oxignica PSII y PSI Cianobacterias
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Mecanismos de generacin de energa fotosntesis
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Mecanismos de generacin de energa fotosntesis
Cross-section of the R. sphaeroidesICM, illustrating the function of the major components of thisbioenergetic membrane. The figure depicts the orientation of ICM components relative to thecytoplasmic and periplasmic compartments. Abbreviations: Bchl, bacteriochlorophyll; Bchl2,
bacteriochlorophyll special pair; ADP, adenosine diphosphate; ATP, adenosine triphosphate; Pi,phosphate; e, electron; Q, ubiquinone; cyt c2, cytochrome c2; B800850 & B875, light harvestingcomplexes, respectively.
doi:10.1016/j.mib.2006.10.005
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Mecanismos de generacin de energa fosforilacin oxidativa
Substratoreducido
Substratooxidado
Energa
C6H12O6 + 6 O2 6CO2 + 6H2O
G0= - 317.66 kcal/mol
C6H12O6 + [NAD+
] 6CO2 + [NADH + H+
][NADH + H+] + 6O2 [NAD+] + 6 H2O
Energa
Glucolisis + Ciclo KrebsRespiracin
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Mecanismos de generacin de energa fosforilacin a nivel de substrato
1,3-difosfoglicerato
Fosfoglicerato quinasa
G'o= - 4.5 kcal/mol
3-fosfoglicerato
ADP
ATP
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Conceptos de respiracin y fermentacin
C6H12O6 + [NAD+] 6CO2 + [NADH + H+]
[NADH + H+] + 6O2 [NAD+] + 6 H2O
El contenido de NAD+ de la clula es limitado y puede agotarse
La respiracin y la fermentacin son procesosque recuperan el contenido celular de NAD+
En la RESPIRACIN, el [NADH2] se oxida usando un aceptor de electrones EXTERNO
En la FERMENTACIN, el [NADH2] se oxida usando un aceptor de electrones INTERNO
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Respiracin aerobia
Compuesto orgnico
CO2
Biosntesis
O2
ATP Flujo de carbono
Flujo de electrones
sntesis
NADH + H+ + O2 NAD+ + H2O
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Respiracin anaerobia
Compuesto orgnico
CO2
Biosntesis
Aceptores deelectrones orgnicos
SO4=
NO3-
ATP Flujo de carbono
Flujo de electrones
sntesis
NADH + H+ + 2 NO3- NAD+ + 2 NO2- + H20
P d d / tT d l t
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Potenc
ialreduc
tor
CO2/glucosa (-0.43) 24 e-
2H+ / H2 (-0.38) 6 e-
CO2 / metanol (-0.38) 6 e-NAD+ / NADH (-0.32) 2 e-
CO2 / acetato (-0.28) 8 e-
S0 / H2S (-0.28) 2 e-
S04= / H2S (-0.22) 8 e-
Piruvato / lactato (-0.19) 2 e-
S4O62- / S2O32- (-0.024) 2 e-
Fumarato / succinato (+0.03) 2 e-
Citocromobox/red (+0.035) 1 e-
Ubiquinona ox/red (+0.11) 2 e-
Citocromocox/red (+0.25) 1 e-
Citocromoaox/red (+0.39) 1 e-
NO3- / NO2- (+0.42) 2 e-
NO3- / N2 (+0.74) 5 e-
Fe3+ / Fe2+ (+0.76) 1 e-
O2 / H2O (+0.82) 2 e-
Par donador / aceptorTorre de electronese-
Cuanto ms grande sea la
cada de potencial, mayorser la energa liberada
Potencialoxidante
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Respiracin aerobia
GLUCOSA
Glicolisis
+ ciclo TCA
ATPasaSISTEMA DE
TRANSPORTE
DE ELECTRONES
Respiracin anaerobia
GLUCOSA
Glicolisis
+ ciclo TCA
ATPasa SISTEMA DE
TRANSPORTE
DE ELECTRONES
NO3- NO2
-
Respiracin
Exterior de la clula
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Exterior de la clula
Interior dela clula
Cadenatransportadora
de e-Membrana celular
Transportador
de e-
oxidado
Transportador
de e-reducido
Glucosa
Metabolismode la glucosa
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Conversin de la energa por la ATPasa
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Principios generales de metabolismo, respiracin
y fermentacin Esquema general de metabolismo. Catabolismo y anabolismo. Metabolismo primario y secundario. Categoras de microorganismos segn su metabolismo.
Mecanismos de generacin de energa: fotosntesis fosforilacin oxidativa fosforilacin a nivel de substrato
Conceptos de respiracin y fermentacin.
Respiracin aerobia y anaerobia. Metabolismo central: catabolismo y anabolismo Diversidad de fermentaciones:
alcohlica, homolctica, heterolctica, cido-mixta, butanodilica, Propinica acetona-butanol.
Otras fermentaciones.
Metabolismo secundario. Fijacin de nitrgeno.
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Metabolitos primarios ysecundariosMETABOLITOS PRIMARIOS:-Se producen en el curso de las reacciones metablicas anablicas o catablicas quetiene lugar durante las fases de crecimiento y que contribuyen a la produccin debiomasa o energa por las clulas.
-Se producen principalmente en la trofofase o fase de crecimiento.
METABOLITOS SECUNDARIOS:-Se producen por rutas anablicas especializadas cuando no hay crecimiento.
-Significado evolutivo controvertido por ser imprescindibles. Pueden ser unaestrategia para mantener en funcionamiento los sistemas metablicis cuando no haycrecimiento.
-Son indicativos de diferenciacin y se producen durante la idiofase de los cultivos.
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Catabolismo de la Glucosa
RUTA DE EMBDEN-MEYERHOF (EM)RUTA ENTNER-DOUDOROFF
RUTA DE LAS PENTOSAS FOSFATORUTA DE LA FOSFOCETOLASA
Ruta de Embden Meyerhoff
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- La ms comn- Funciona en condiciones aerobias y en anaerobias.- La ruta produce: 2 piruvato (C3)
2ATP2NADH + 2H+
Ruta de Embden-Meyerhoff
Efecto Pasteur
FFK
ATP AMPTransporte
de la glucosa
Ruta de Embden Meyerhoff
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KennethTodarUniversityofWiscons
in-MadisonDepartment
ofBacteriology
Ruta de Embden-Meyerhoff
Ruta de Entner-Doudoroff
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E
Ruta de Entner Doudoroff
Glucosa + 2 NAD + ADP+ Pi 2 Piruvato + 2 NADH + ATP
Ruta de Entner-Doudoroff
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(KDPG)
KennethTodarUniversityofWiscons
in-MadisonDepartment
ofBacteriology
Ruta de Entner Doudoroff
- Presente en ciertas Gram-negativas aerobiascomo Pseudomonas.
- Muy rara en hongos- Relativamente infrecuente como va de
fermentacin
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gave azul
Zymomonas
Aguamiel
PulqueTequila
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Ruta de las Pentosas fosfato
- Presente en muchas bacterias y enla mayora de los eucariontes.- Puede ser simultnea a la ruta EM.
- Funciona en condiciones aerobias yanaerobias.-Importancia en catabolismo y enanabolismo.
3 Glucosa-6-fosfato (C6)
6NADP+ + 3 H2O
2 fructosa-6-fosfato (C6)
gliceraldehdo-3-fosfato (C3)3CO2 + 6NADPH + 6H+
R t d l F f t ls
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Ruta de la Fosfocetolasa ode Warburg-Dickens (WD)
Kenneth Todar University of Wisconsin-Madison Department of Bacteriology
Fosfocetolasa
Fermentacin
heterolctica
Ruta
dela
spe
ntos
as
Es la ruta que siguen ciertas bacterialcticas (especialmente LactobacillusyLeuconostoc) Se puede considerar una variante de laruta de la PF puesto que se forma un
azcar C5 y, por consiguiente, tiene lugaruna descarboxilacin. Sin embargo, en la ruta WD la enzimafosfocetolasa rompe el azcar C5 y delugar a dos ramas que coinciden a laformacin de lactato y etanol en un
proceso de fermentacin heterolctica.
Ciclo de Krebs
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Ciclo de Krebs
Nucletidosreducidos
Nucletidosoxidados
Exterior de la clula
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Interior dela clula
Cadenatransportadora
de e-Membrana celular
Transportadorde e-
oxidado
Transportador
de e-
reducido
Glucosa
Metabolismode la glucosa
P in ipi s n l s d m t b lism spi in
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Principios generales de metabolismo, respiraciny fermentacin
Diversidad de fermentaciones: alcohlica, homolctica, heterolctica, cido-mixta, butanodilica,
Propinica acetona-butanol.
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FermentacionesALCOHLICA:- En la fermentacin etanlica o alcohlica: el piruvato se
reduce para formar etanol y CO2 :
Glucosa + 2ADP + 2Pi 2etanol + CO2 + 2ATP- Es el proceso de fermentacin que lleva a caboSaccharomyces cerevisiae (pocas bacterias).
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FermentacionesHOMOLCTICA:-Su nico producto final es el cido lctico. Su ecuacin global es:
Glucosa + 2ADP + 2Pi 2 cido lctico + 2 ATP
Estas bacterias producen el piruvato por catabolismo de la glucosasiguiendo la ruta de Embden-Meyerhof.
-Proceso presente en muchas bacterias lcticas: Streptococcus(grupoenterococos), Pediococcusy varios grupos de Lactobacillus.
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Fermentacin heterolctica Su producto final no es exclusivamentecido lctico.
El proceso tiene un rendimiento menor
que la fermentacin homolctica.
El piruvato de esta ruta procede de la vade las pentosas.
La reaccin global es:
Este proceso lo llevan a cabo bacteriasdel grupo lctico pertenecientes a losgneros Leuconostocy Lactobacillus.
Ac. Lctico + etanolCO2 + ATP
GlucosaADP + Pi
Fermentacin cido mixta
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Hidrogenoliasa
frmica
Produce cido actico, etanol, H2, CO2yproporciones diferentes de cido lcticoo propinico (frmico) segn las especies.
La llevan a cabo las enterobacterias. En esta ruta de fermentacin seproduce ATP adems de la reoxidacin
del NADH+H+
.
Fermentacin butanodilica
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Variante de la fermentacion cido mixta.
Presente en algunas enterobacterias como
Klebsiella, Serratiay Erwinia.En esta ruta se produce acetona que sedetecta mediante la reaccin de Voges-
Proskauer
Voges-Proskauer
Fermentacin
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Fermentacindel cido propinico
Proceso complejo en el que se generaacetato, CO2y cido propinico comoproductos finales.
Ruta fermentativa la presentan lasbacterias del tipo Propinobacteriumyotras anaerobias estrictas presentes enel rumen de herbvoros
Fermentacin de
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Tipo de fermentacin llevadoa cabo por bacteriasanaerobias estrictas delgnero Clostridium.
Se producen compuestosorgnicos disolventes de gran
importancia industrial
F macetona-butanol
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Kenneth Todar University of Wisconsin-Madison Department of Bacteriology
Fermentacin de aminocidos:
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reaccin de SticklandReaccin de Stickland llevada acabo por algunas bacterias delgnero Clostridium
Alanina
Piruvato + NH3
Acetil-CoA
Acetil-P
Acetato-
Glicina
2 Acetil-P 2 Acetato- + 2 NH3NAD+
NADH
CoA
CO2
NAD+
NADH
2 Pi
Pi
CoAADP
ATP
2 ADP 2 ATP
Aminocidos que participan en la reaccin de Stickland
Aminocidos oxidados Aminocidos reducidos
AlaninaLeucina
Isoleucina
ValinaHistidina
GlicinaProlina
Hidroxiprolina
TriptfanoArginina
Metabolismo
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Metabolismo
central
Rutas anablicas
Caractersticas comunes de los
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m
metabolitos secundarios- Tienden a producirse cuando el crecimiento est limitado (cultivo
contnuo).- Se forman por enzimas especficos a partir del metabolismo central.- No son esenciales para el crecimiento o para el metabolismo central.
- Son especficos para cada especie, y a veces, de cada cepa.
Familias de metabolitos secundariosPOLIQUTIDOSTERPENOS
AMINOCIDOS
POLIQUTIDOS
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Est presente en bacterias, hongos y en plantas. Sirve nicamente para la produccin de metabolitos secundarios.
Parte del malonil-CoA que forma el primer paso en la sntesis de cidos grasos.
Ejemplos:
griseofulvina (antibitico producido por Penicillium griseofulvum) aflatoxinas (toxinas producidas por Aspergillus flavusy por A. parasiticus)
ocratoxinas (toxinas producidas por algunos tipos de Aspergillusy de Penicillium)
lovastatina (producida por A. terreus)
POLIQUTIDOS
Se inician a partir del Acetil-CoA. Produce tanto metabolitos primarios (carotenos, esteroles) como secundarios. Ejemplos:
Ciertos carotenos. Toxinas como la toxina T2 y los tricotecenos (producidos por alguna especie de
Fusarium).
TERPENOS
MICGRAL2007
Rutas de sntesis de las familias de metabolitos secundarios
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Poliqutidos
Terpenos
MICGRAL2007
Rutas de aminocidos
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Rutas de aminocidos
RUTAS QUE PARTEN DE AMINOCIDOS
AROMTICOSCompuestos alucingenos tales como el cido lisrgico,
la psilocibina (Psylocibe) y la muscarina (Amanita muscaria).
RUTAS QUE PARTEN DE AMINOCIDOS
ALIFTICOSPenicilinas (Penincillium chrysogenum)
Toxinas como la falotoxina (Amanita phalloides)
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