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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS Y FARMACIA DEPARTAMENTO DE MICROBIOLOGIA CURSO DE MICROBIOLOGIA QUÍMICA FARMACEÚTICA Marilyn Montes Munguia 201512602 METABOLISMO BACTERIANO 1. Defina: Metabolismo, Catabolismo, Anabolismo.  Metabolismo: Es el conjunto de reacciones bioquímicas y procesos fisicoquímicos que ocurren en una célula y en el organismo.  Catabolismo: conjunto de reacciones bioquímicas que conducen a la producción de energía utilizada por la célula (normalmente ATP).  Anabolismo: la suma total de todas las reacciones biosintéticas de la célula. 2. De conformidad con la clasificación metabólica de las bacterias defina y ejemplifique utilizando un cuadro: Tomando en cuenta la fuente de energía, donador de electrones, fuente de carbono: Bacterias Fotótrofas, Quimótrofas, Fotoorganotrofas, Quimioorganótrofas, Quimiolitótrofas, Autótrofas y Heterótrofas. Bacteria Fotótrofas

Fuente energía

de Donador electrones

de Fuente carbono

de

Luz

Agua

Dióxido carbono compuestos orgánicos

de o

Quimótrofas

Combustibles químicos

HS-, S0, SO4-, NO2-, Dióxido Fe2+ carbono compuestos orgánicos

de o

Fotoorganotrofas

Luz

compuestos orgánicos

compuestos orgánicos

Compuestos orgánicos

Compuestos orgánicos

Quimioorganótrofas Compuestos orgánicos

Quimiolitótrofas

Compuestos inorgánicos

Compuestos Dióxido inorgánicos reducidos carbono (HS-, S0, SO4-, NO2-, Fe2+)

de

Autótrofas

Luz compuestos inorgánicos.

o Agua, compuestos Dióxido inorgánicos carbono

de

Heterótrofas

Combustibles químicos

Compuestos orgánicos

Compuestos orgánicos

3. Defina Energía: · Capacidad que tiene un cuerpo de producir trabajo en forma de movimiento, luz, calor, etc. 4. Defina energía Libre: · Es la energía disponible para la realización de un trabajo, se expresa por G. 5. Defina energía libre de formación, su importancia, cómo se expresa. · Es la energía liberada o requerida para la formación de una molécula determinada a partir de sus elementos constituyentes. Se expresa como G0f, Puede ser endergónica si el valor de G0f es positivo y exergónica si el valor de G0f es negativo. 6. Enuncie la segunda ley de la termodinámica. · La segunda ley de la termodinámica establece que ningún proceso que requiera una conversión de energía es 100% eficiente ya que mucha energía es dispersada como calor, incrementando la entropía. 7. Explique por qué esta ley se puede aplicar a los microorganismos. Los microorganismos tienen un alto grado de organización, y a primera vista puede parecer que no cumplen la segunda ley de la termodinámica. Conforme crecen y se desarrollan, mantienen un elevado nivel de orden y no parecen irse desorganizando. Sin embargo, los organismos son sistemas abiertos; conforme pasa el tiempo sostienen su nivel de orden sólo con la constante entrada de energía de sus alrededores. 8. Defina reacción exergónica · Las reacciones en las cuales se libera energía. 9. Defina reacción endergónica · Las reacciones en las cuales se requiere energía. 10. En general las reacciones catabólicas son exergónicas o endergónicas

·

Las reacciones catabólicas liberan energía por lo que son exergónicas.

11. La formación de glucosa a partir de sus elementos ¿Libera o requiere energía? · Requieren energía, ya que la glucosa no se forma espontáneamente a partir de sus elementos. 12. Defina energía de activación · La energía de activación es la cantidad de energía que se necesita para llevar todas las moléculas de una reacción química un estado reactivo. 13. Defina enzima, ¿cuál es su función, qué tipo de macromoléculas son las enzimas, cual es la estructura de una enzima? · Una enzima es una proteína que tiene capacidad catalítica acelerando reacciones químicas específicas mediante la disminución de la energía de activación. Una enzima puede tener estructura terciaria o cuaternaria. 14. Por dónde se une una enzima a su sustrato. · Un sustrato se una al sitio catalítico de una enzima, que es complementario en forma, carga carácter hidrofílico o hidrofóbico a su enzima en el estado de transición. 15. Defina, coenzima, grupo prostético, ¿cuál es su función en una reacción enzimática?  Coenzima: son moléculas de origen orgánico que se pueden unir a las enzimas fuerte o débilmente. Su función es transportar grupos funcionales. 

Grupo prostético: son un tipo de coenzimas que se une fuertemente a la enzima mediante enlaces covalentes.

16. En el catabolismo, a menudo se considera al donador de electrones como una fuente de energía. ¿Por qué? Ya que oxidan a su vez liberando electrones y protones (H+ ). A continuación se produce la transferencia de electrones liberados a lo largo de una cadena de moléculas transportadoras, conocida como cadena respiratoria, hacia el O2, que al reducirse se une a protones para formar agua. Durante este proceso de transferencia electrónica se libera una gran cantidad de energía que se conserva en forma de ATP gracias al proceso de fosforilación oxidativa 17. Existen dos tipos generales de transportadores de electrones: los que difunden libremente y los que están unidos firmemente a enzimas anclados en la membrana citoplasmática. Los transportadores difusibles incluyen las coenzimas nicotinamida adenín dinucleótido (NAD+ ) y nicotinamida adenín dinucleótido fosfato (NADP+ ). Que tipo de átomos transportan en el proceso de generación de energía? Bombea protones a través de la membrana y genera ATP a través de la fosforilación oxidativa.

18. Químicamente que es una reducción, una oxidación.  Reducción: Es el proceso electroquímico por el cual un átomo o un ion gana electrones. Implica la disminución de su estado de oxidación.  Oxidación: Es la reacción química a partir de la cual un átomo, ión o molécula cede electrones; entonces se dice que aumenta su estado de oxidación. 19. Cuál es la diferencia entre un electrón y un átomo de hidrógeno. El átomo de hidrógeno, está formado por un protón (con carga +) que se encuentra en el núcleo del átomo mientras que un electrón es una partícula que se encuentra alrededor del núcleo del átomo y que tiene carga eléctrica negativa. 20. ¿Las reacciones redox ocurren a pares, explique por qué? Porque para que una sustancia oxide a otra tiene que captar los electrones, que proviene de esa otra sustancia, por lo que disminuirá su número de oxidación y por tanto ella misma reducirá, y a la inversa, el reductor tiene que ceder electrones y por lo tanto se oxida. 21. Qué es el potencial de reducción de una sustancia (Eo’ ), explique. Es la tendencia de un reductor a ceder electrones. 22. Utilizando la escala electrónica, cuál es su utilidad, explique. La utilidad de la escala electrónica es medir la potencia reductiva u oxidante de un compuesto. 23. ¿En la reacción entre H2 y ½ O2 → H2O Cuál es el donador? Y Cuál es el aceptor de electrones. Donador de e-:H2 Aceptor de e-: O2 24. Cuál es el valor de Eo ’ del par 2H+ /H2 ¿Son los protones buenos aceptores de electrones, por qué? El valor de Eo de la reacción es de 1. Los protones si son buenos aceptores de electrones ya que al tener los dos cargas negativas estos se atraen. 25. A qué se debe que el par redox NADH/NAD puede transferir electrones al par O/H2O. Es muy bueno donando electrones en reacciones redox ya que sus electrones están en un nivel de energía alto, por lo que puede transferir sus electrones directamente al complejo. 26. ¿ Es el NADH un donador de electrones mejor que el H2?. Es el NAD+ un aceptor de electrones mejor que el H+ ?, cómo se determina esto?. Los electrones fluyen desde el par conjugado NADH/NAD+ (con E'0=-0,32 V) que funciona como fuente de electrones al par H 2O/½O2 (con E'0=+0,82 V), por lo que el NADH si es mejor donador que el H2, esto se determina por su E*o

27. Por qué el nitrato (NO3 - ) es un aceptor de electrones mejor que el fumarato? Esto se debe a que es la base conjugada de un ácido mineral y estos se caracterizan por ser ácidos y bases más fuertes que los ácidos y bases orgánicos. 28. Esquematice la escala redox ejemplificando con pares redox, electronegativos y electropositivos, que ceden electrones y pares que aceptan electrones. Por qué?.

29. La energía liberada en las reacciones redox debe conservarse para el funcionamiento celular. En los organismos vivos la energía química liberada en estas reacciones se conserva normalmente en forma 2 de enlaces fosfato de alta energía. En un cuadro enuncie los compuestos que en su estructura molecular poseen enlaces de alta energía, mostrando en orden decreciente la energía libre de hidrólisis para cada uno. ¿Por qué el ATP y el ADP se consideran compuestos de alta energía y el AMP no? ¿Cuánta energía se libera por mol de ATP convertido a ADP + Pi? ¿ Y por mol de AMP convertido a adenosina + Pi?. ATP -7,3 Kcal/mol ADP -7,2 Kcal/mol AMP 0 kCal/mol 30. Señale cómo puede la célula prepararse para períodos de ayuno nutricional tras períodos de abundancia de nutrientes? Para el almacenamiento de energía, las células producen polímeros insolubles que luego pueden oxidarse para luego producir ATP. En ausencia de una fuente de energía externa, las células pueden romper estos polímeros y son capaces de hacer nuevo material celular, o suministrar energía suficiente para el mantenimiento de la célula.

31. Los mecanismos por los cuales se sintetiza ATP, son la fosforilación a nivel del sustrato, la fosforilación oxidativa y la fotofosforilación dependiendo de la bacteria que se trate, indique en qué consiste estos mecanismos:  La Fosforilación oxidativa es el proceso de formar ATP mediante reacciones Rédox (Óxido-reducción), el fósforo inorgánico que se acopla al ADP proviene de reacciones de oxidación biológica.  La fosforilación a nivel de sustrato consiste en fosforilar (adjuntar fósforo inorgánico) a cualquier sustrato orgánico quien posteriormente va a ser utilizado como combustible energético, por ejemplo, en la primera reacción de la Glucólisis, hay fosforilación a nivel de sustrato ya que se necesita gastar una molécula de ATP otorgada por la célula para transformar la glucosa en glucosa 6- fosfato 32. Esquematice la estructura química del ATP.

¿Por qué este compuesto puede almacenar y transportar energía? Debido a la presencia de enlaces ricos en energía (La energía se almacena en los enlaces entre los grupos fosfato), esta molécula se utiliza en los seres vivos para proporcionar la energía que se consume en las reacciones químicas. ¿Qué es la coenzima A? ¿Por qué puede suministrar energía? Es una coenzima de transferencia de grupos acilo que participa en diversas rutas metabólicas (ciclo de Krebs, síntesis y oxidación de ácidos grasos). Cuando un grupo acetilo se añade a la cola de la coenzima A (CoA), toda la molécula se conoce como Acetil-CoA, el lugar de enlace es en el grupo sulfhidrilo o tiol (-SH). El enlace aciltioéster es rico en energía y por lo tanto funciona como transportador de grupos acilo. SEGUNDA PARTE 1.

Enumere las tres formas principales por medio de las cuales las bacterias pueden producir energía. Existen tres formas principales, por medio de las cuales las bacterias pueden producir energía: 1. Producción anaeróbica o fermentación 2. Producción aeróbica o respiración 3. Producción fotosintética (cíclica y no cíclica).

2.

En qué consiste el proceso de fermentación  La fermentación es un proceso metabólico productor de energía en el cual compuestos orgánicos sirven como donadores de electrones y también como aceptores de ellos. Los compuestos que efectúan estas funciones usualmente son dos diferentes metabolitos, derivados de un substrato fermentable. Los carbohidratos son los principales substratos para la fermentación, pero también otros compuestos pueden ser fermentables, tales como ácidos orgánicos, aminoácidos, purinas y pirimidinas.

3. ¿Cuál es la vía metabólica más utilizada por las bacterias para fermentar azúcares?  La vía de Embden-Meyerhof (glucólisis) es la vía más común utilizada por las bacterias para fermentar azúcares. 4.

¿Cuántos moles de ATP se producen en el proceso de fermentación?  Por cada mol de glucosa fermentada se producen 2 moles de ATP 5. Defina fosforilación a nivel de sustrato.  Proceso por el cual se produce la fosforilación de ADP a ATP por transferencia de un grupo fosfato, desde un determinado sustrato. 6. Esquematice las reacciones de la vía de Embden-Meyerhof, indique donde se consume ATP, donde se genera ATP, donde se liberan electrones. Mencione las fermentaciones que ocurren a través de la vía de Embden-Meyerhof, además indique compuestos que se forman, así como géneros bacterianos que participan.

7. Describa en qué consiste la fermentación heteroláctica. Es una fermentación que utiliza vías diferentes a la de Embden-Meyerhof 𝐂𝟔𝐇𝟏𝟐𝐎𝟔 → 𝐂𝐎𝟐 + 𝐂𝐇𝟑𝐂𝐇𝟐𝐎𝐇 + 𝐂𝐇𝟑𝐂𝐇𝐎𝐇𝐂𝐎𝐎𝐇 Leuconostoc fermenta la glucosa con producción de CO2, alcohol etílico y ácido láctico. La reacción clave es el rompimiento fosforolítico de la xilulosa 5- fosfato en acetilfosfato y gliceraldehido 3-fosfato. La producción de energía en este tipo de fermentación es aún más pobre que en la fermentación homoláctica. 8. Describa en qué consiste la fermentación por Zymomonas mobilis, que vía utilizan para fermentar la glucosa hasta alcohol. Producida por Zymomonas mobilis, el organismo responsable de la fermentación del jugo de cacto, para producir el pulque. Donde el CO2 se forma a partir de los carbonos 1 y 4 de la glucosa. Los productos de la fermentación son CO2 y alcohol etílico 𝐂𝟔𝐇𝟏𝟐𝐎𝟔 → 𝟐𝐂𝐎𝟐 + 𝟐𝐂𝐇𝟑𝐂𝐇𝟐𝐎𝐇 La fermentación por Zymomonas representa a la vía de Entner-Doudoroff en condiciones anaeróbicas.

9. ¿Además de azúcares que otros compuestos son fermentables.? Otros compuestos fermentables pueden ser ,ácidos orgánicos, aminoácidos, purinas y pirimidinas 10. En el proceso de fermentación coliforme. ¿Qué compuestos pueden ser detectados con la prueba del rojo de metilo? Ácidos lácticos y succínico, que son los principales productos de la fermentación por E. coli. ¿Qué compuestos con la prueba del Vogues Proskauer? acetoína y 2,3 - butanediol producidos por la fermentación de Klebsiella y Enterobacter ¿Qué géneros de Enterobacterias puede identificar? su importancia. Escherichia coli Klebsiella y Enterobacter Su estudio fue estimulado por la necesidad de distinguir a Escherichia coli, como indicador de contaminación fecal, de bacterias saprofíticas, principalmente Klebsiella y Enterobacter. 11. ¿En qué consiste la reacción de Stickland en la fermentación de aminoácidos?? Especies de Clostridium fermentan pares de aminoácidos, es una fermentación acoplada en la cual un aminoácido es oxidado y el otro es reducido. Varios aminoácidos son capaces de servir como donadores de electrones en la reacción de Stickland, pero los más comunes son los aminoácidos alifáticos: alanina, valina, leucina e isoleucina. 12.¿Qué organismos obtienen su energía principalmente por fermentación? Los organismos que obtienen energía por medio de fermentación son anaerobios estrictos. Otros, sin embargo, son anaerobios facultativos, capaces de crecer en presencia o ausencia de oxígeno. 13. ¿ En qué consiste el proceso de RESPIRACIÓN? La respiración se puede definir como un proceso metabólico productor de energía, en el cual compuestos orgánicos o inorgánicos sirven como donadores de electrones y el oxígeno molecular como el aceptor final de estos electrones 14. Defina fosforilación oxidativa: Es el proceso metabólico final (catabolismo) de la respiración celular. Es la transferencia de electrones de los equivalentes reducidos NADH y FADH, obtenidos en la glucólisis y en el ciclo de Krebs hasta el oxígenomolecular, acoplado con la síntesis de ATP. 15. En la célula, en qué parte se encuentra situado el sistema de transporte de electrones.? Los sistemas de transporte de electrones se encuentran asociados a la membrana celular.

16. Ejemplifique un sistema transportador de electrones que media la transferencia de electrones desde el sustrato al O2. Durante el proceso del transporte tiene lugar una separación de protones y electrones a través de la membrana. Los átomos de hidrógeno como el NADH, se desdoblan en electrones y protones, y los primeros son transportados a través de la cadena por transportadores específicos mientras los protones son bombeados fuera de la célula al entorno (al periplasmas en bacterias gram negativo), por lo que se origina una ligera acidificación de la superficie externa de la membrana. Al final de la cadena de transporte, los electrones son recogidos por el aceptor final (el 02 en el caso de la respiración aeróbica) que se reduce. 17. En qué consiste la fuerza motriz de protones?. La fuerza motriz de protones es la fuerza que promueve el flujo de protones a través de una membrana biológica en favor de un gradiente electroquímico. 18. Explique en detalle cómo se lleva a cabo la generación de la fuerza motriz de protones durante la respiración aeróbica. Después de la cesión de dos átomos de hidrógeno del NADH al FAD, se liberan dos H+ cuando el FADH cede dos electrones (solamente) a una proteína con hierro y azufre que forma parte del Complejo I,. Cuando esta proteína con hierro no hémico reduce la coenzima Q, se toman dos protones de la disociación del agua en el citoplasma. La coenzima Q pasa un electrón cada vez al complejo del citocromo bc1, (Complejo III). La principal función del complejo citocromo bc1 es transferir electrones de las quinonas al citocromo c, de modo acoplado a la translocación de protones a través de la membrana originando la acumulación de OH- en el citoplasma y de protones en la superficie externa de la membrana. 19. Explique en detalle por qué la fuerza motriz de protones puede generar energía? Cuando el 02 se reduce a H20, necesita H+ para completar la reacción y estos protones derivan de la disociación del agua en H+ y OH. El empleo de H+ en la reducción del 02 a H20 origina una acumulación neta de OHen la cara interna de la membrana. A pesar de su pequeño tamaño, como presenta carga, ni H+ ni OH- pueden atravesar libremente la membrana y, en consecuencia, no se puede restaurar espontáneamente el equilibrio. Por tanto, aunque se considera que el transporte de electrones hasta el 02 produce agua, lo que realmente produce son los componentes del agua H+ y OH, que se acumulan en lados opuestos de la membrana. 20. Cómo funciona la ATPasa? La ATPasa es un conjunto multienzimático cuya función es obtener la energía necesaria para una infinidad de procesos enzimáticos metabólicos a partir de ATP como sustrato. La ATPasa se energiza catalizando una transferencia de vida breve del fosfato terminal del ATP a una parte de sí misma que sobresale del citosol, donde hay ATP disponible. LA combinación del ATP con la ATPasa hace a esta última rica en energía y que se libere ADP.

Durante la formación del estado rico en energía, la ATPasa cambia la forma, se combina con un protón y, probablemente, abre un orificio que contiene, por donde el protón puede atravesar la membrana. 21. Cuántos moles de ATP se generan como consecuencia de la oxidación de la glucosa hasta CO2 y H2O durante el proceso de respiración. Se producen 2 moles de ATP. 22. Cuál es la forma más común para el metabolismo aeróbico de carbohidratos en bacterias? Es una combinación de la vía de Embden-Meyerhof y el ciclo de Krebs. 23. Qué otra vía pueden utilizar las bacterias aeróbicas para metabolizar sus hexosas? Muchas bacterias aeróbicas metabolizan las hexosas a través de la vía del fosfogluconato. 24. Explique en detalle el ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxílicos. El sitio activo de la enzima, activa el acetil-CoA, el grupo tioéster (CoA) se hidroliza, formando así la molécula de citrato. La aconitasa cataliza la isomerización del citrato a isocitrato, por la formación de cis-aconitato. La isocitrato deshidrogenasa mitocondrial cataliza la oxidación del isocitrato a oxalsuccinato, lo que genera una molécula de NADH a partir de NAD+. Esto provoca una se tiene una descarboxilación, es decir, la salida de una molécula de CO2, que conduce a la formación de α-cetoglutarato, que lleva a la formación de succinil CoA. El succinil-CoA pasa a succinato. La parte final del ciclo consiste en la reorganización de moléculas a cuatro átomos de carbono hasta la regeneración del oxalacetato. Para que eso sea posible, el grupo metilo presente en el succinato tiene que convertirse en un carbonilo. La última reacción del ciclo de Krebs consiste en la oxidación del malato a oxalacetato. La reacción, catalizada por la malato deshidrogenasa, utiliza otra molécula de NAD+ como aceptor de hidrógeno, produciendo NADH. 25. Cuántos moles de ATP se generan como consecuencia del metabolismo respiratorio en el ciclo anterior? Se producen 2 moléculas de ATP. 26. Compare la ganancia neta de moles de ATP entre el proceso de fermentación y la respiración. En la respiración aerobia se obtiene una ganancia neta de 38 moléculas de ATP, en la fermentación únicamente se tiene una ganancia de 2 moléculas de ATP, por lo tanto, es más eficiente la respiración aerobia para la producción de ATP. 27. Defina fotosíntesis. Es un proceso en virtud del cual los organismos con clorofila , como las plantas verdes, las algas y algunas bacterias, capturan energía en forma de luz y la transforman en energía química.

28. Defina Fotofosforilación Cíclica y no Cíclica. Compare. En la fosforilación acíclica se da la formación de ATP y la reducción de NADP+ a NADPH + H+, y necesita de la energía de la luz. Se realiza gracias a los llamados fotosistemas, que se encuentran en la membrana de los tilacoides (en los cloroplastos). En la fosforilación cíclica un electrón del fotosistema I (clorofila P700) se eleva a un mayor nivel de energía y durante la caída al nivel bajo de energía en la misma clorofila se forman dos moléculas de ATP. La diferencia entre ellas es que en la fosforilación acíclica se forma una molécula de ATP y en la fosforilación cíclica se forman dos moléculas de ATP. 29. Que tipo de fototrofía llevan a cabo las bacterias anoxigénicas.? Realizan la fotosíntesis anoxigénica, fosforilación cíclica. 30. Que tipo de fototrofía llevan a cabo las bacterias oxigénicas (cianobacterias)? Realizan la fotosíntesis oxigénica, la fosforilación no cíclica. 31. Qué fotosistemas participan en la fotofosforilación no cíclica?. El fotosistema I y fotosistema II. 32. En el ciclo de Calvin (Autótrofos) que compuesto se fija para la producción de glucosa en la célula, que compuesto actúa como donador de electrones?. Para la producción de glucosa en la célula en el ciclo de Calvin se fija dióxido de carbono. El donador de electrones es NADPH. 33. Defina que es respiración anaeróbica. Que compuestos participan como receptores de electrones. Los organismos que pueden sobrevivir en ausencia de oxígeno, se dice que realizan una respiración anaeróbica, que básicamente consiste en desdoblar los nutrientes (principalmente un azúcar llamado glucosa) sin utilizar el oxígeno, por consecuencia, la cantidad de energía que se obtiene es muy poca. Los aceptores de electrones utilizados en la respiración anaeróbica son nitratos (NO3 -), hierro férrico (Fe3+), sulfatos (SO4 2), carbonatos (C03 2- ) e incluso algunos compuestos orgánicos.