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Mecanismos de Obtención de Energía por
Microorganismos
Respiración y Fermentación
Son procesos Catabólicos mediante los cuales las células obtienen la
energía necesaria para por procesos anabólicos elaborar sus
macromoléculas esenciales y demás constituyentes.
El enlace entre las reacciones que suministran energía y las que lo
consumen lo proporciona una sustancia denominada Trifosfato de
Adenosina (ATP) a partir del Dinucleotido de Adenosina (ADP) y del ácido
Fosfórico.
Existen dos fuentes de energía externa empleada por los
microorganismos: Luz Solar y Energía Química
Obtención Energía Química
Donador de Electrones
Aceptor de H +
Aceptor de H +
Químiotrofos
Inorgánicos
Orgánicos
Inorgánicos
Respiración
No ocurre
Orgánicos
Respiración
Fermentación
Respiración: Es la oxidación de una fuente de energía con un aceptor
externo de electrones. Los H + del NADH son transferidos al Oxígeno u otro
compuesto inorgánico (aceptor externo) por un sistema “Transportador de
Electrones”, el sustrato se oxida generalmente en forma completa.
La producción de ATP se realiza en forma asociada a la cadena de transporte
por un mecanismo denominado “Fosforilación Oxidativa” .
Fermentación: Es la oxidación productora de energía en la cual el oxidante es
un compuesto orgánico. Los H + son transferidos a la coenzima NAD, la cual
se reduce a NADH para luego reoxidarse transfiriendo los H + a un compuesto
intermedio de la reacción, la cual se puede definir como una “Reacción de
Oxido reducción Interna”
PRINCIPALES VÍAS METABÓLICAS GENERADORAS DE ENERGÍA DE LOS
QUIMIOHETEROTROFOS
FERMENTACION
Ej:fermentación alcohólica
Glucosa
Etanol
C6H12O6
Otras fermentaciones
láctica, acética, acetobutílica, etc.
Dióxido de carbono
2 C2H6O +
+
2 CO2
Energía
RESPIRACION AEROBIA
Glucosa
C6H12O6 +
Oxígeno
Agua
6 O2
6 H2O
RESPIRACION ANAEROBIA
Glucosa
Energía
C6H12O6
+
Dióxido de carbono
+
+ Energía
6 CO2
(Ej: reducción de nitratos)
Nitrato
Nitrito
NO3-
NO2-
Dióxido de carbono
+
6 CO2
+
Energía
Otros aceptores de
H/eSO42- ; CO2; Fe2+
Todas las bacterias
•Utilizan otros H de C además de la glucosa (lactosa, sacarosa, maltosa, etc.)
Muchas bacterias
•Tienen al menos 2 posibilidades (respiración aerobia/fermentación; respiración
anaerobia/fermentación; etc.
•Tienen otras vías para generar energía a partir de proteínas, lípidos y hasta ¡plásticos y
petróleo!
Oxígeno
El oxígeno es un componente universal de las células y es suministrado siempre en
grandes cantidades por el agua (H2O). Sin embargo, los procariotas muestran un amplio
rango de respuestas al oxígeno molecular (O2).
Aerobios obligados
Requieren oxígeno para su crecimiento, ellos usan el O2 como un aceptor final de
electrones en la respiración.
Anaerobios obligados, o estrictos
No requiere O2, no necesitan el O2 como un nutriente. De hecho, el oxígeno es una
sustancia tóxica, el cual mata o inhibe su crecimiento. Los procariotas anaerobios
obligados pueden vivir por fermentación, respiración anaeróbica, fotosíntesis
bacteriana, o el primitivo proceso de la metanogénesis.
Anaerobios facultativos
Son organismos que pueden cambiar entre tipo de metabolismo aeróbico y
anaeróbico. Bajo condiciones anaeróbicas ellos crecen por fermentación o respiración
anaeróbica, pero en presencia de oxígeno ellos cambian a respiración aeróbica.
Anaerobios aerotolerantes
Son bacterias con un tipo de metabolismo exclusivamente anaeróbico (fermentativo),
pero ellos son insensibles a la presencia de O2. Ellos viven solamente por fermentación
sin importar si el oxígeno está o no presente en su entorno.
Organismo
Relación con el O2
Patología
Bacillus cereus
Aerobio estricto
Gastroenteritis
Salmonella spp.
Anaerobio facultativo
Gastroenteritis
Clostridium perfringens
Anaerobio estricto
Gangrena
Campylobacter jejuni
Microaerófilo
Diarrea
Respiración Aeróbica: El aceptor externo de electrones es el
Oxigeno.
Respiración Anaeróbica : El aceptor externo de electrones es
otro compuesto inorgánico.
Reductores y Oxidantes en respiración Bacteriana
Reductor
Oxidante
Producto
Organismo
H2
O2
H2O
Bacterias del Hidrogeno
H2
SO4=
S= + H2O
Desulfovibrio
Compuestos
Orgánicos
O2
CO2 + H2O
Mayoría de Bacterias
NH3
O2
NO2- + H2O
Bacterias Nitrificantes
Compuestos
Inorgánicos
NO3-
N2 + CO2
Bacterias Desnitrificantes
NO2--
O2
NO3- + H20
Bacterias Nitrificantes
Fe++
O2
Fe++
Ferrobacillus
S=
O2
SO4=+ H20
Tiobacillus
Jarra para cultivos anaerobicos estrictos
Jarra de anaerobiosis
Respiración Aeróbica
Alimento
Proteínas
Polisacáridos
Amino Ácidos
Grasas
Azucares Simples Ácidos Grasos y Glicerol
Membrana
NADH
g
l
u
c
o
l
i
s
i
s
ATP
Piruvato
NADH
CO2
Acetil Co A
CO2
Krebs
Ciclo ac. Cítrico
Poder Reductor en
forma de NADH
NH3
NH
3
O2
T
r
a
n
s
p
o
r
t
e
l
e
c
t
r
o
n
e
s
e
HO2
f
o
s
f
o
r
i
l
i
z
a
c
i
i
o
n
Productos Residuales
TRIFOSFATO DE ADENOSINA (ATP)
El trifosfato de adenosina (ATP) o adenosín trifosfato es una
molécula que consta de un grupo reducido de enlaces iónicos Su
fórmula es C10H16N5O13P3.
ATP Y METABOLISMO
En la célula son oxidados los nutrientes por una serie de reacciones
químicas degradativas (catabolismo). Como productos del
catabolismo se obtienen metabolitos simples y energía. Ambos son
los precursores para la síntesis de los componentes celulares. Todo
el conjunto de reacciones de síntesis se llama anabolismo. En el
catabolismo (oxidación) se produce una liberación de electrones
que son captados por moléculas transportadoras de electrones
como el NAD+ (que al aceptar electrones se reduce a NADH).
Por otra parte, la energía liberada queda retenida en su mayoría en
el ATP.
La síntesis (anabolismo) de los compuestos celulares se realiza con
los metabolitos simples, utilizando la energía contenida en el ATP y
los electrones contenidos en el NADH, ya que éste es un proceso
reductivo (toma electrones). El ATP es esa moneda de intercambio
energético debido a su estructura química. Cuando se hidroliza
libera mucha energía que va a ser captada por las enzimas que
catalizan las reacciones de biosíntesis.
HIDRÓLISIS DEL ATP
Se puede representar así: A-P~P~P
Donde “~” son los enlaces anhídrido de ácido, que son de alta energía.
En la hidrólisis del ATP se está hidrolizando uno de esos enlaces anhídrido
de ácido. Esto libera gran energía, concretamente 7'7kcal/mol. Es decir:
ΔG = -7,7 kcal/mol
Es una reacción muy exergónica. Su keq es 11.
Así se comprende que el ATP tiene tendencia a hidrolizarse de forma
natural y liberar energía.
NICOTINAMIDA ADENINA DINUCLEÓTIDO (NAD)
Es una coenzima que contiene la vitamina B3 y cuya función
principal es el intercambio de electrones e hidrogeniones en la
producción de energía de todas las células.
El NAD+ interviene en múltiples reacciones del metabólicas de
óxido-reducción. Cuando un enzima oxida un substrato por
deshidrogenación, los átomos de hidrógeno arrancados a dicho
substrato son cedidos por el enzima al NAD+; éste actúa como
agente oxidante al aceptar dos electrones (y un protón), quedando
libre en el medio otro protón:
A-H2 + NAD+ → A + NADH+H+
Por tanto, el NADH es la forma reducida del NAD+, ya que posee
dos electrones (y un protón) más. El NADH actúa como
transportador de 2e- y 1H+, para acabar cediéndolos. En el
catabolismo aerobio, el NADH cede sus electrones al complejo
NADH-deshidrogenasa (el primer elemento de la cadena
respiratoria); en el catabolismo anaerobio como en la fermentación
láctica, el NADH cede sus electrones al ácido pirúvico que se reduce
a ácido láctico.
FLAVÍN ADENÍN DINUCLEÓTIDO (FAD)
El flavín adenín dinucleótido o dinucleótido de flavinaadenina es una molécula compuesta por una unidad de
riboflavina (vitamina B2), unida a un pirofosfato (P-P), éste
unido a una ribosa y ésta unida a una adenina. Por tanto, la
molécula es en realidad ADP unido a riboflavina; o también
AMP unido al coenzima FMN.
Bioquímicamente es un coenzima que interviene como
dador o aceptor de electrones y protones (poder reductor)
en reacciones metabólicas redox;
Al reducirse capta dos protones y dos electrones, lo que lo
capacita para intervenir como dador de energía y/o poder
reductor en el metabolismo . Por ejemplo, el FAD (y
también el NAD), se reducen en el ciclo de Krebs y se oxida
en la cadena respiratoria (respiración aeróbica).
La función bioquímica general del FAD es oxidar los
alcanos a alquenos, mientras que el NAD+ oxida los
alcoholes a aldehídos o cetonas.
Esto es debido a que la oxidación de un alcano (como el
succinato) a un alqueno (como el fumarato) es suficiente
exergónica como para reducir el FAD a FADH2, pero no para
reducir el NAD+ a NADH.
La reoxidación del FADH2 (es decir, la liberación de los dos
electrones y dos protones capturados) tiene lugar en la
cadena respiratoria, lo que posibilita la formación de ATP
(fosforilación oxidativa).
GLUCÓLISIS
•
•
•
Es la vía metabólica encargada de oxidar o fermentar la glucosa y así obtener
energía para la célula. Ésta consiste de 10 reacciones enzimáticas que convierten a
la glucosa en dos moléculas de piruvato.
Es la vía inicial del catabolismo (degradación) de carbohidratos, y tiene tres
funciones principales:
La generación de moléculas de alta energía (ATP y NADH) como fuente de energía
celular en procesos de respiración aeróbica (presencia de oxígeno) y anaeróbica
(ausencia de oxígeno).
La generación de Piruvato que pasará al Ciclo de krebs, como parte de la
respiración aeróbica.
La producción de intermediarios de 6 y 3 carbonos, los que pueden ser ocupados
por otros procesos celulares.
Cuando hay ausencia de oxígeno (anoxia o hipoxia), luego que la glucosa ha pasado
por este proceso, el piruvato sufre la fermentación, una segunda vía de
adquisición de energía que, al igual que la glucólisis, es poco eficiente. El tipo de
compuesto obtenido de la fermentación suele variar con el tipo de organismo. En
los animales, el piruvato fermenta a lactato y en levadura, el piruvato fermenta a
etanol.
Balance energetico
• 2 NAD = 6 ATP + 2 ATP = 8 ATP por molécula de glucosa
En eucariotas y procariotas, la glucólisis ocurre en el citosol de la célula.
El tipo de glucólisis mas común y más conocida es la vía de Embden-Meyerhoff,
explicada inicialmente por Gustav Embden y Otto Meyerhof, El término puede
incluir vías alternativas, como la vía de Entner-Doudoroff. No obstante, Glucólisis
será usada aquí como sinónimo de la vía de Embden-Meyerhoff.
El ATP (Adenosín trifosfato) es la fuente de energía universal de la célula.
NADH y H+, otorgan la capacidad de reducir otros compuestos pertenecientes a
otras vías metabólicas, o bien para sintetizar ATP. El piruvato es la molécula que
seguirá oxidandose en el ciclo de Krebs, como parte de la respiración aeróbica,
1er Paso: Hexoquinasa
La primera reacción de la glucólisis es la fosforilación
de la glucosa, para activarla (aumentar su energía) y
así poder utilizarla en otros procesos cuando sea
necesario. Esta activación ocurre por la transferencia
de un grupo fosfato del ATP, una reacción catalizada
por la enzima Hexoquinasa, la cual puede fosforilar
(añadir un grupo fosfato) a moléculas similares a la
Glucosa, como la fructosa y manosa.
2do Paso: Fosfohexosa isomeraza
Glucosa-6-fosfato a Fructosa-6-fosfato
Éste es un paso importante, puesto que acá se define la geometría
molecular que afectará los dos pasos críticos en la glucólisis: El próximo
paso, que agregará un grupo fosfato al producto de esta reacción, y el
paso 4, cuando se creen dos moléculas de gliceraldehido que finalmente
serán las precursoras del piruvato.
En esta reacción, la Glucosa-6-fosfato se isomeraza a Fructosa-6-fosfato,
mediante la enzima Fosfohexosa isomeraza. La isomerización ocurre en
una reacción de 4 pasos, que implica la apertura del anillo y un traspaso
de protones a través de un intermediario cis-enediol
3er paso: Fosfofructoquinasa
Fructosa-6-fosfato + ATP Fructosa-1,6-bifosfato + ADP Fosforilación de la
fructosa 6-fosfato en el carbono 1, con gasto de un ATP, a través de la
enzima Fosfofructoquinasa-1 (PFK1). También este fosfato tendrá una
baja energía de hidrólisis. Por el mismo motivo que en la primera reacción,
el proceso es irreversible. El nuevo producto se denominará Fructosa-1,6Bisfosfato.
La irreversibilidad es importante, ya que la hace ser el punto de control
de la glucólisis. Como hay otros sustratos aparte de la glucosa que entran
en la glucólisis, el punto de control no está colocado en la primera
reacción, sino en ésta. La fosfofructoquinasa tiene centros alostéricos,
sensibles a las concentraciones de intermediarios como citrato y ácidos
grasos. Liberando una enzima llamada fosfructocinasa-2 que fosforila en
el carbono 2 y regula la reacción.
4to Paso: Aldolasa
Fructosa-1,6-bifosfato Dihidroxiacetona-fosfato + Gliceraldehido-3-fosfato
La enzima Aldolasa (Fructosa-1,6-bifosfato aldolasa), mediante una
condensación aldólica reversible, rompe la fructosa-1,6-bifosfato en dos
moléculas de tres carbonos (triosas): Dihidroxiacetona fosfato y
Gliceraldehído-3-fosfato.
Ésta reacción tiene una energía libre (ΔG) entre 20 a 25 kJ/mol, por lo
tanto en condiciones estándar ésta reacción no ocurre de manera
espontánea. Sin embargo, en condiciones intracelulares la energía libre es
pequeña debido a la baja concentración de los sustratos, lo que permite
que ésta reacción sea reversible.
5to Paso: Triosa-fosfato-Isomerasa
Dihidroxiacetona-fosfato a Gliceraldehido-3-fosfato
Puesto que sólo el Gliceraldehído-3-fosfato puede seguir los pasos
restantes de la glucólisis, la otra molécula generada por la reacción
anterior (Dihidroxiacetona-fosfato) es isomerizada a Gliceraldehído-3fosfato. Ésta reacción posee una energía libre en condiciones estandar
positiva, lo cual implicaría un proceso no favorecido, sin embargo al igual
que para la reacción 4, considerando las concentraciones intracelulares
reales del reactante y el producto, se encuentra que la Energía Libre total
es negativa, por lo que la dirección favorecida es hacia la formación de
G3P.
Éste es el último paso de la "Fase de Gasto de Energía". Sólo hemos
gastado ATP en el primer paso (Hexoquinasa) y el tercer paso
(Fosfofructoquinasa-1). Cabe recordar que el 4to paso (Aldolasa) genera
una molécula de Gliceraldehído-3-fosfato, mientras que el 5to paso genera
una segunda molécula de éste. De acá en adelante, las reacciones a seguir
ocurrirán dos veces, debido a las 2 moléculas de gliceraldehido generadas
de ésta fase. Hasta esta reaccion hay intervencion de energia (ATP)
6to Paso: Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa
Se utiliza un fosfato inorgánico y una molécula de NAD+ para producir 1,3Bifosfoglicerato y una molécula de NADH + H+. Esta reacción la cataliza la
gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa o GAP-deshidrogenasa.
Esta sexta reacción tiene una importancia capital en la regulación de la
glucolisis; si el NAD+ consumido en formar NADH + H+ no se regenera, el
ciclo glucolítico se verá comprometido llegando incluso a detenerse. Una
de las funciones principales de la vía fermentativa es oxidar el NADH + H+
generado para así permitir a la ruta glucolítica continuar. En caso de haber
oxígeno, el NADH + H+ obtenido se destina a la cadena transportadora
de electrones para la obtención de energía.
7mo Paso: Fosfoglicerato quinasa
Se desfosforiliza el 1,3-bifosfoglicerato gracias a la fosfoglicerato quinasa,
formándose una molécula de ATP por cada una de 1,3-BPG y dando lugar
al 3-fosfoglicerato.
8vo Paso: Fosfoglicerato mutasa
Se isomeriza el 3-fosfoglicerato procedente de la reacción anterior dando
2-fosfoglicerato, la enzima que cataliza esta reacción es la Fosfoglicerato
mutasa. Lo único que pasa aquí es el cambio de posición del fosfato del C3
al C2. Son energías similares y por tanto reversibles, con una variación de
energía libre cercana a cero.
9no Paso: Enolasa
La enzima enolasa propicia la formación de un doble enlace en el 2fosfoglicerato, eliminando una molécula de agua formada por el hidrógeno
del C2 y el OH del C3. El resultado es el fosfoenolpiruvato.
10mo Paso: Piruvato quinasa
Desfosforilación del Fosfoenolpiruvato, obteniéndose piruvato y ATP.
Reacción irreversible mediada por la Piruvato quinasa.
La enzima Piruvato Quinasa es dependiente de magnesio y potasio. La
energía libre es igual a -31.4, por lo tanto la reacción es favorable e
irreversible. El rendimiento total de la glucólisis de una sola glucosa(6C) es
de 4 ATP(dos por cada gliceraldehido fosfato(3C) y 2 NADH (que dejarán
los electrones H en la cadena de transporte de electrones para formar 3
ATP por cada electrón).
Reacciones del ciclo de Krebs
Leyenda de colores: enzimas, coenzimas, nombres de sustratos, iones metálicos, moléculas inorgánicas,
inhibición, estimulación .
El acetil-CoA es el principal precursor del ciclo. El ácido
cítrico (6 carbonos) o citrato se regenera en cada ciclo por
condensación de un acetil-CoA (2 carbonos) con una
molécula de oxaloacetato (4 carbonos). El citrato produce
en cada ciclo una molécula de oxaloacetato y dos CO2, por
lo que el balance neto del ciclo es:
Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 3 H2O → CoA-SH + 3
(NADH + H+) + FADH2 + GTP + 2 CO2 + 3 H+
Los dos carbonos del Acetil-CoA son oxidados a CO2, y la
energía que estaba acumulada es liberada en forma de
energía química: GTP y poder reductor (electrones de alto
potencial): NADH y FADH2, son coenzimas (moléculas
capaces de unirse a enzimas) capaces de acumular la
energía en forma de poder reductor para su conversión en
energía química en la fosforilación Oxidativa.
VISIÓN SIMPLIFICADA Y RENDIMIENTO DEL PROCESO
• El paso previo es la oxidación del piruvato, produciendo un acetil-CoA y un
CO2.
• El acetil-CoA reacciona con una molécula de oxaloacetato (4 carbonos)
para formar citrato (6 carbonos), mediante una reacción de condensación.
• A través de una serie de reacciones el citrato se convierte de nuevo en
oxaloacetato.
• Durante estas reacciones, se substraen 2 átomos de carbono del citrato
(6C) para dar oxalacetato (4C); dichos átomos de carbono se liberan en
forma de CO2
• El ciclo consume netamente 1 acetil-CoA y produce 2 CO2. También
consume 3 NAD+ y 1 FAD, produciendo 3 NADH + 3 H+ y 1 FADH2.
• El rendimiento de un ciclo es (por cada molécula de piruvato): 1 GTP, 3
NADH, 1 FADH2, 2CO2.
• Cada NADH, cuando se oxide en la cadena respiratoria, originará 2,5
moléculas de ATP (3 x 2,5 = 7,5), mientras que el FADH2 dará lugar a 1,5
ATP. Por tanto, 7,5 + 1,5 + 1 GTP = 10 ATP por cada acetil-CoA que ingresa
en el ciclo de Krebs.
• Cada molécula de glucosa produce (vía glucólisis) dos moléculas de
piruvato, que a su vez producen dos acetil-CoA, por lo que por cada
molécula de glucosa en el ciclo de Krebs se produce: 4CO2, 2 GTP, 6 NADH,
2 FADH2; total 20 ATP.
REGULACIÓN
Muchas de las enzimas del ciclo de Krebs son reguladas por
retroalimentación negativa, por unión alostérica del ATP, que es
un producto de la vía y un indicador del nivel energético de la
célula. Entre estas enzimas se incluye el complejo de la piruvato
deshidrogenasa que sintetiza el acetil-CoA necesario para la
primera reacción del ciclo a partir de piruvato, procedente de la
glucólisis o del catabolismo de aminoácidos. También las enzimas
citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa y α-cetoglutarato
deshidrogenasa, que catalizan las tres primeras reacciones del ciclo
de Krebs, son inhibidas por altas concentraciones de ATP. Esta
regulación frena este ciclo degradativo cuando el nivel energético
de la célula es bueno.
Algunas enzimas son también reguladas negativamente cuando el
nivel de poder reductor de la célula es elevado. El mecanismo de
esta inhibición es una inhibición competitiva por producto (por
NADH) de las enzimas que emplean NAD+ como sustrato. Así se
regulan, entre otros, los complejos piruvato deshidrogenasa y
citrato sintasa.
Productos del ciclo del ácido cítrico
Reactivos/
Coenzimas
Productos/
Coenzima
Molécula
Enzima
Tipo de reacción
I. Citrato
II. cis-Aconitato
1. Aconitasa
2. Aconitasa
Deshidratación
Hidratación
H2O
III. Isocitrato
3. Isocitrato
deshidrogenasa
Oxidación
NAD+
NADH + H+
IV. Oxalosuccinato
4. Isocitrato
deshidrogenasa
Descarboxilación
NAD+ +
CoA-SH
NADH + H+
+ CO2
5. α-cetoglutarato
V. α-cetoglutarato
deshidrogenasa
Descarboxilación
Oxidativa
H2O
VI. Succinil-CoA
6. Succinil-CoA
sintetasa
Hidrólisis
GDP
+ Pi
GTP +
CoA-SH
VII. Succinato
7. Succinato
deshidrogenasa
Oxidación
FAD
FADH2
Adición (H2O)
H2O
Oxidación
NAD+
VIII. Fumarato
IX. L-Malato
X. Oxaloacetato
8. Fumarato
Hidratasa
9. Malato
deshidrogenasa
10. Citrato sintasa
Condensación
NADH + H+
Cadena de Transporte de Electrones y
Fosforilación Oxidativa
• El ciclo de Krebs siempre es seguido por la fosforilación
oxidativa. Este proceso extrae la energía en forma de
electrones de alto potencial de las moléculas de NADH y FADH2,
regenerando NAD+ and FAD, gracias a lo cual el ciclo de Krebs
puede continuar. Los electrones son transferidos a moléculas de
O2, rindiendo H2O. Pero esta transferencia se realiza a través de
una cadena transportadora de electrones capaz de aprovechar la
energía potencial de los electrones para bombear protones.
Esto genera un gradiente electroquímico de H+, que es utilizado
para la síntesis de ATP mediante la enzima ATP sintetasa. De
este modo el ciclo de Krebs no utiliza directamente O2, pero lo
requiere al estar acoplado a la fosforilación oxidativa.
CaCadena de Transporte de Electrones
LA CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES
Es una serie de transportadores de electrones que se
encuentran en la membrana plasmática de bacterias,
en la membrana, que median reacciones bioquímicas
que producen adenosina trifosfato (ATP), que es el
compuesto energético que utilizan los seres vivos. Sólo
dos fuentes de energía son utilizadas por los
organismos vivos: reacciones de oxido-reducción
(redox) y la luz solar (fotosíntesis). Los organismos que
utilizan las reacciones redox para producir ATP se les
conoce con el nombre de quimiotrofos, mientras que
los que utilizan la luz solar para tal evento se les
conoce por el nombre de fototrofos. Ambos tipos de
organismos utilizan sus cadenas de transporte de
electrones para convertir la energía en ATP.
La misión de la cadena transportadora de electrones es la
de crear un gradiente electroquímico que se utiliza para la
síntesis de ATP. Dicho gradiente electroquímico se
consigue mediante el flujo de electrones entre diversas
sustancias de esta cadena que favorecen en último caso la
translocación de protones que generan el gradiente
anteriormente mencionado. De esta forma podemos
deducir la existencia de tres procesos totalmente
dependientes:
Un flujo de electrones desde sustancias individuales.
Un uso de la energía desprendida de ese flujo de
electrones que se utiliza para la translocación de protones
en contra de gradiente, por lo que energéticamente
estamos hablando de un proceso desfavorable.
Un uso de ese gradiente electroquímico para la formación
de ATP mediante un proceso favorable desde un punto de
vista energético
Cuatro complejos unidos a membrana han sido
identificados.
El flujo de electrones global se esquematiza de la
siguiente forma:
NADH o FADH → FMN → Q → Citocromo b →
Citocromo c → Citocromo a → O2
TRANSPORTADORES DE QUINONA
Las quinonas son transportadores móviles liposolubles.
En general desempeñan las mismas funciones que la
quinona mitocondrial, aunque las bacterias presenten
quinonas específicas como son por ejemplo la
ubiquinona o la menaquinona.
BOMBAS DE PROTONES
El citocromo bc1 es una bomba de protones encontrada
en muchas bacterias, aunque no en todas, por ejemplo
Escherichia coli.
CITOCROMOS
Los citocromos son proteínas que contienen porfirinas
que tienen ligado un átomo de hierro. Existen citocromos
que son hidrosolubles, otros que son liposolubles. Otra
peculiaridad es que existen citocromos móviles como por
ejemplo el citocromo c.
CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES
NADH/FADH
El "complejo I" o NADH deshidrogenasa o
NADH:ubiquinona oxidoreductasa capta dos electrones
del NADH y los transfiere a un transportador liposoluble
denominado ubiquinona (Q). El producto reducido, que
se conoce con el nombre de ubiquinol (QH2) puede
difundir libremente. Al mismo tiempo el NADH transloca
cuatro protones, produciendo un gradiente de protones.
El flujo de electrones ocurre de la siguiente forma:
El NADH es oxidado a NAD+, reduciendo al FMN a
FMNH2 en un único paso que implica a dos electrones.
Citocromos
Citocromo b; obtiene dos electrones desde QH2 y
se los transfiere a dos moléculas de citocromo c,
que es un transportador de electrones
hidrosoluble. Al mismo tiempo, transloca dos
protones por los dos electrones transportados
desde el ubiquinol.
Citocromo c y a; capta cuatro electrones de la
cuatro moléculas de citocromo c y se transfieren
al oxígeno (O2), para producir dos moléculas de
agua (H2O). Al mismo tiempo se translocan
cuatro protones, por los cuatro electrones.
Además "desaparecen" de la matriz 4 protones
que forman parte del H2O.
RESUMEN
La cadena de transporte de electrones utiliza
electrones desde un donador ya sea NADH o
FADH 2 y los pasa a un aceptor de electrones
final, como el O2, mediante una serie de
reacciones redox. Estas reacciones están
acopladas a la creación de un gradiente de
protones generado por los transportadores.
Dicho gradiente es utilizado para generar ATP
mediante la ATP sintasa.
Las reacciones catalizadas por los citocromos
están en equilibrio. Las concentraciones de
reactivos y productos son aproximadamente los
mismo. Esto significa que estas reacciones son
reversibles.
Cadena transportadora de electrones en bacterias
En eucariotas, el NADH es el donador de electrones más
importante. En procariotas, es decir bacterias y arqueas la
situación es algo más complicada, debido a que hay un gran
numero de donante de electrones y un gran numero de
aceptores. Si generalizamos el transporte en bacterias este
podría quedar de la siguiente forma:
Donador
Donador
Donador
.
↓
↓
↓
.
deshidrogenasa → quinonas → bc1 → citocromo
.
↓
↓
.
oxidasa (reductasa) oxidasa(reductasa)
.
↓
↓
.
Aceptor
Aceptor
OXIDASAS Y REDUCTASAS TERMINALES
Cuando una bacteria crece en ambientes aeróbicos, el aceptor final de los
electrones es reducido hasta agua por un enzima que se denomina oxidasa.
Cuando una bacteria crece en ambientes de hipoxia, el aceptor de
electrones es reducida por una enzima que se denomina reductasa. Las
bacterias aeróbicas pueden un utilizar varias oxidasas. Escherichia coli, no
presenta Citocromo oxidasa, por lo que en condiciones aeróbicas utiliza dos
Quinolonas oxidasa diferentes para reducir el oxígeno a agua. Ambas
quinolonas oxidasas actúan a su vez como bombas de protones. Las bacterias
anaeróbicas no pueden utilizar el oxígeno como aceptor final de los
electrones, por lo que requieren reductasas especializadas para cada una de
los aceptores. Escherichia coli puede usar por ejemplo: una Fumarato
reductasa, la nitrato reductasa, la nitrito reductasa
ACEPTORES DE ELECTRONES
Al igual que existen un gran número de donadores de electrones, también
existen un gran número de aceptores que pueden ser de ambos tipos, es
decir de origen orgánico o inorgánico. Si el oxígeno está disponible, se usará
como aceptor, ya que genera mayor producción energética. En los ambientes
anaeróbicos, se puede utilizar NO3-, NO2-, Fe3+, SO42-, CO2 y pequeñas
moléculas orgánicas como por ejemplo el fumarato.
RESPIRACIÓN
AERÓBICA
1ATP
Sustrato
NADH
NAD
FMN
Potenciales O/R
-0,36 0,05 V
-0,27
0,27 V
-0,12
0,64 V
0,12
0,90 V
0,22
1,22 V
Cit. c red.
0,26
1,32 V
Cit. a ox.
0,30 1,44 V
FMNH
Quinonas
Cit. b red.
Inhibidor CLO3-
Cit. b ox.
1 ATP
.
Cit. c ox.
Inhibidor Antimicina
Cit. a red.
1 ATP
Inhibidor CN-,N3-,CO
O2
H2O
0,82
1,50 V
LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Es la transferencia de electrones de los equivalentes reducidos NADH,
FADH, obtenidos en la glucólisis y en el ciclo de Krebs hasta el oxígeno
molecular, acoplado con la síntesis de ATP. Este proceso metabólico está
formado por un conjunto de enzimas complejas, ubicadas en la
membrana, que catalizan varias reacciones de óxido-reducción, donde el
oxígeno es el aceptor final de electrones y donde se forma finalmente
agua.
La fosforilación oxidativa es un proceso bioquímico que ocurre en las
células. Es el proceso metabólico final (catabolismo) de la respiración
celular, tras la glicólisis y el ciclo del ácido cítrico. De una molécula de
glucosa se obtienen 38 moléculas de ATP mediante la fosforilación
oxidativa.
Dentro de las bacterias, la fosforilación oxidativa se produce en la
membrana plasmática y en eucariotas es la membrana de las dos de que
consta la mitocondrial. El NADH y FADH2, moléculas donadores de
electrones que "fueron cargadas" durante el ciclo del ácido cítrico, se
utilizan en un mecanismo intrincado (que implica a numerosas enzimas
como la NADH-Q reductasa, la citocromo c oxidasa y la citocromo
reductasa), gracias a la bomba H+ que moviliza los protones contra un
gradiante de membrana.
Un gran complejo proteico llamado ATP-sintasa situado en la
membrana, permite a los protones pasar en ambas direcciones;
genera el ATP cuando el protón se mueve a favor de gradiente. La
reacción es:
ADP3- + H+ + Pi ↔ ATP4- + H2O
Cada molécula de NADH contribuye suficientemente a generar la
fuerza motriz de un protón que produzca 2,5 moléculas de ATP.
Cada molécula de FADH2 produce 1,5 m Moléculas de ATP.
Todas juntas, las 10 moléculas de NADH y las 2 FADH2 provenientes
de la oxidación de la glucosa (glucólisis, descarboxilación oxidativa
de piruvato en acetil-CoA y ciclo de Krebs) a formar 28 de las 38
moléculas totales de ATP transportadoras de energía.
Hay que decir que estos valores de moléculas de ATP son
máximos. En realidad cada molécula de NADH contribuye a formar
entre 2 y 3 moléculas de ATP, mientras que cada FADH2 contribuye
a un máximo de 2 moléculas de ATP.
ACOPLAMIENTO CON LA FOSFORILIZACIÓN
OXIDATIVA
La hipótesis del acoplamiento quimiosmótico,
explica que la cadena de transporte de
electrones y la fosforilación oxidativa están
acopladas por el gradiente de protones. El eflujo
de protones crea un gradiente de pH y un
gradiente electroquímico. Este gradiente de
protones es usado por la ATP sintasa para
formar ATP vía la fosforilación oxidativa.
El acoplamiento con la fosforilación oxidativa es
un paso clave en la producción de ATP.
Las bacterias pueden usar múltiples cadenas de transporte de
electrones, e incluso simultáneamente. Las bacterias pueden
usar varios donadores diferentes de electrones. Por ejemplo,
Escherichia coli, cuando crece en condiciones aeróbicas usando
glucosa como fuente de energía, usa dos NADH
deshidrogenasas diferentes y dos quinolonas oxidasas
diferentes, un total de cuatro cadenas de transporte que
funcionan simultáneamente.
Las bacterias también generan un gradiente de protones, para
ello utilizan al menos tres bombas de protones, al igual que
las mitocondrias, aunque se han descrito casos en los que
solo existen dos o incluso una. Evidentemente siempre tiene
que existir al menos una bomba de protones para poder
generar el gradiente electroquímico, que es esencial para la
generación de ATP.
COCIENTE RESPIRATORIO = CR
Anhídrido producido/ Oxigeno consumido = CR
Glúcidos = 1 Alcoholes y aminoácidos < 1 Ácidos > 1
EL EFECTO TÓXICO DEL OXÍGENO:
El oxígeno es el aceptor final de electrones de la respiración
aeróbica. Aunque desde hace mucho se sabe que el oxígeno es
tóxico para las bacterias anaerobias estrictas, sorprende saber que
el oxígeno tiene también una acción tóxica sobre los
microorganismos aeróbicos, y que la mayoría de los organismo
disponen de enzimas que desarrollan un efecto protector sobre los
productos perniciosos del oxígeno.
En el campo biológico hay que diferenciar tres tipos de activación
del oxígeno, que se caracterizan por el número de electrones que
se transfieren simultáneamente a una molécula de oxígeno.
(1) O2 + 4e- à O2- + O2(2) O2 + 2e- à O2
(3) O2 + e- à O2
La reacción 1 está catalizada por la enzima citocromo-oxidasa, el
enzima terminal de la cadena de transporte de electrones. Se
transfieren simultáneamente cuatro electrones, formándose dos
iones O2-, cada uno de los cuales forma agua con dos protones.
La reacción 2 es característica de enzimas que contienen
flavinas. Transfieren simultáneamente 2
electrones, y reducen el O2 al ión peróxido O2, que con
protones pasa a peróxido de hidrógeno H2O2.
Esta sustancia es tóxica para la célula y es descompuesta por
la enzima catalasa en agua y oxígeno.
La mayoría de las bacterias aeróbicas disponen de la enzima
catalasa.
La reacción 3 está catalizada por un gran número de oxidasas.
Únicamente se transfiere un electrón, con lo que se forma el
ión superóxido, O2 que como radical es muy reactivo. El
efecto protector frente a los radicales superóxido lo desarrolla
la superóxido-dismutasa.
RESPIRACIÓN ANAEROBICA
En la respiración anaeróbica no se usa oxígeno, sino que para la misma
función se emplea otra sustancia oxidante distinta, como el sulfato o el
nitrato.
En las bacterias con respiración anaerobia interviene también una cadena
transportadora de electrones en la que se reoxidan los coenzimas
reducidos durante la oxidación de los substratos nutrientes; es análoga a
la de la respiración aerobia, ya que se compone de los mismos
elementos (citocromos, quinonas, proteínas ferrosulfúricas, etc.). La
única diferencia, por tanto radica, en que el aceptor último de electrones
no es el oxígeno.
Todos los posibles aceptores en la respiración anaerobia tienen un
potencial de reducción menor que el O2, por lo que, partiendo de los
mismos sustratos (glucosa, aminoácidos, triglicéridos), se genera menos
energía en este metabolismo que en la respiración aerobia convencional.
No hay que confundir la respiración anaeróbica con la fermentación, en la
que no existe en absoluto cadena de transporte de electrones, y el
aceptor final de electrones es una molécula orgánica; estos dos tipos de
metabolismo tienen solo en común el no ser dependientes del oxígeno.
En la siguiente tabla se muestran distintos aceptores de electrones, sus
productos y algunos ejemplos de microorganismos que realizan tales
procesos:
RESPIRACIÓN
ANAERÓBICA
Sustrato
NADH
1ATP
NAD
FMN
FMNH
Inhibidor CLO3-
1 ATP
.
Cit. b ox.
Resp. Anaeróbica
NO3-/NO2-
Cit. c ox.
-0,27
0,27 V
-0,12
0,64 V
Resp. Anaeróbica
Fe++/Fe+++ y
SO4=/SO2=
Quinonas
Cit. b red.
Potenciales O/R
-0,36 0,05 V
Inhibidor Antimicina
Cit. c red.
0,12
0,90 V
0,22
1,22 V
0,26
1,32 V
Resp. Anaeróbica
NO2-/NO
Cit. a red.
Cit. a ox.
0,30 1,44 V
1 ATP
Inhibidor CN-,N3-,CO
0,82
1,50 V
ACEPTORES RESPIRACIÓN ANAEROBICA
Aceptor
Producto final
Microorganismo
Nitrato
Nitritos, óxidos de
nitrógeno y N2
Pseudomonas, Bacillus
Sulfato
Sulfuros
Desulfovibrio, Clostridium
Azufre
Sulfuros
Thermoplasma
CO2
Metano
Methanococcus, Methanosarcina, Methanopyrus
Fe3+
Fe2+
Shewanella, Geobacter, Geospirillum, Geovibrio
Mn4+
Mn2+
Shewanella putrefaciens
Selenato
Selenito
Arsenato
Arsenito
Desulfotomaculum
Fumarato
Succinato
Wolinella succinogenes, Desulfovibrio, E. coli
DMSO
DMS
Campylobacter, Escherichia
TMAO
TMA
Clorobenzoato
Benzoato
Desulfomonile
• FERMENTACIÓN:
La fermentación es un proceso de generación de energía que utiliza una
molécula orgánica como aceptor final de electrones, que no necesita
cadena transportadora de electrones y que no requiere oxígeno (aunque
puede realizarse en su presencia). En todas ellas se parte del ácido
pirúvico.
Hay varios tipos de fermentación, dependiendo de la ruta metabólica seguida.
•
•
•
•
•
•
Tipo de fermentación
Microorgasnismo
Producto final
Fermentación láctica
Streptococcus, Lactobacillus, Bacillus Ácido láctico
Fermentación alcohólica Saccharomyces (levadura)
Etanol y CO2
Fermentación propiónica Anaerobios
Ácido propiónico
Ácido acético, CO2 y H2
Fermentación fórmica
Enterobacterias
Ácido láctico, Ácidofórmico,
Butanodiol, CO2 y H2
Fermentación butírica
Clostridium
Ácido butírico, Butanol, Acetona,
Isopropanol y CO2
Fermentación mixta
Escherichia Salmonella
Ácido láctico, Ácido succínico,
Ácido acético, CO2 y H2
EL EFECTO PASTEUR
Es un efecto de inhibición de la fermentación alcohólica debido
a la participación de oxígeno (O2). La fermentación es un
proceso completamente anaeróbico (sin la participación del
aire) y la inclusión del oxígeno detiene o minimiza los procesos
biológicos de las levaduras. El proceso de producción de un
compuesto decrece y el consumo de glucosa disminuye, debido
a que en presencia de oxigeno el NADH es oxidado por el
sistema de transporte de electrones y no está presente para la
transformación de piruvato a etanol.
Además aumenta mucho la producción de ATP y cambia el
cociente ATP/ADP inhibiendo la enzima fosfofrutoquinasa y la
formación de compuestos intermedios de la glucolisis.
El efecto fue descubierto en el año 1857 por el biólogo francés
Louis Pasteur, que observó por primera vez que las levaduras
dejaban de crecer al ser aireadas.
CUADRO RESUMEN
Tipo de
Bacteria
Aeróbica
(estricta)
Anaeróbica
(estricta)
Crecimiento
en medios
aeróbicos
+
-
Crecimiento
en medios
anaeróbicos
-
+
Producción
de Catalasa
Comentario
Ejemplo
Necesita O2
no fermenta
Pseudomona
Mycobacterium
-
Muere en O2
fermenta en
ausencia O2
Clostridium
Bacteroides
+
Respira en O2
fermentan sin
O2
Escherichiae
Staphylococcus
Shigella
Fermentan con
y sin O2
Enterococcus
Cresen con
poco O2 y sin
O2
Campyrobacter
+
Facultativa
+
Aerotolerant
es
Microaerofi
licas
+
+
escaso
+
+
+
+
+
escaso