tema 6: mecanismos reguladores y fermentaciones industriales

TEMA 6: MECANISMOS REGULADORES Y FERMENTACIONES
INDUSTRIALES
Dr. Pedro F. Mateos
I. REGULACION Y
COORDINACION DEL
METABOLISMO MICROBIANO
Un microorganismo que está creciendo
rompe moléculas de alto peso
molecular (almidón) introduciendo en
la célula estos derivados más pequeños
(glucosa, 6C) donde los degrada a
moléculas más pequeñas (piruvato, 3C)
convirtiéndolas en amino ácidos,
nucleótidos, vitaminas, carbohidratos y
ácidos grasos para finalmente construir
a partir de estos materiales básicos
proteínas, coenzimas, ácidos nucleicos,
mucopéptidos, polisacáridos y lípidos.
Reacciones metabólicas conectadas
con la vía glucolítica y ciclo de Krebs
Anabolismo microbiano
Todo este proceso implica que cientos
de enzimas deben de producirse y
actuar de una manera coordinada para
evitar el caos. Alrededor de unas 500
reacciones metabólicas comunes se
conectan con la vía glucolítica y con el
ciclo del ácido cítrico. Cada reacción
requiere un enzima determinado, el
cual, a su vez, es el producto de toda
una serie de reacciones de
transferencia de información y de
síntesis proteica.
Para realizar todo esto, las células
poseen una elaborada red de
mecanismos de control que regulan las
reacciones químicas, permitiéndoles
competir eficientemente con otras
formas de vida para poder sobrevivir
en la Naturaleza. Por lo tanto, una
célula ideal no tiene producción
excesiva de metabolitos ya que una
buena regulación es una ventaja
evolutiva; pero por otra parte las
células no pueden renunciar a una
cierta adaptabilidad que les permita
subsistir en ecosistemas diferentes.
Esto ha permitido que existan
microorganismos mal regulados en
determinados aspectos y que por lo
tanto produzcan en demasía
determinados metabolitos. Estos son
los microorganismos que nos interesan.
Pero además, podemos provocar que
un microorganismo bien regulado
produzca un determinado compuesto
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alterando sus mecanismos reguladores.
Por lo tanto, es esencial para la
microbiología
industrial
el
conocimiento de los mecanismos
reguladores que a continuación se
describen.
transcripción al disminuir la afinidad
de la proteína represora por su
secuencia de DNA específica. Este
caso de regulación en el que el gen en
condiciones normales está reprimido se
llama inducción negativa.
II. INDUCCION
Entre la enorme cantidad de enzimas
que un microorganismo es capaz de
producir existen algunos que siempre
están presentes. Son los llamados
enzimas constitutivos. Pero también
existen otros que o bien no están
presentes o bien lo están en cantidades
mínimas y que ante la presencia de una
sustancia, que suele ser su sustrato, la
célula aumenta enormemente su
cantidad. estos son los denominados
enzimas inducibles y la sustancia que
incrementa la síntesis de novo de estos
enzimas se llama inductor. Muchos
enzimas catabólicos, donde se
encuentran la mayor parte de los
industriales, son inducibles. A esta
forma de regulación de la expresión de
genes, sólo cuando el apropiado
sustrato del enzima está presente, se
llama inducción.
El mecanismo a través del cual las
proteínas represoras de la expresión
génica controlan la transcripción
génica en los procariotas comienza
cuando la proteína represora y el
enzima RNA polimerasa se unen
fuertemente a diferentes secuencias
específicas de nucleótidos del DNA,
que reciben el nombre de región
operadora y región promotora. Si está
presente la proteína represora, la RNA
polimerasa no puede actuar, no
produciéndose la transcripción. Si no
está presente la proteína represora, la
RNA
polimerasa
se
une,
produciéndose la transcripción. Esta
proteína represora reconoce un ligando
específico y esta unión activa la
Inducción negativa
Una alternativa de la regulación
negativa, es la regulación por medio de
proteínas activadoras de la expresión
génica. En este caso la proteína facilita
la unión de la RNA polimerasa. Al
igual que las proteínas represoras, éstas
proteínas activadoras se unen a
ligandos específicos (inductor) pero en
este caso se incrementa la afinidad de
la proteína activadora por el DNA con
lo que se activa la transcripción. Si la
proteína activadora se halla presente, la
RNA polimerasa se une y tiene lugar la
transcripción. Si por el contrario la
proteína activadora no se halla
presente, la RNA polimerasa no puede
unirse no teniendo lugar la
transcripción. Este tipo de control
génico recibe el nombre de inducción
positiva.
Inducción positiva
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A modo de ejemplo veamos que ocurre
en Escherichia coli en la síntesis de los
enzimas que hidrolizan la lactosa en
glucosa y galactosa. Cuando la
proteína represora está unida a la
secuencia del operador, bloquea el
acceso de la RNA polimerasa a su
región de unión (promotor) impidiendo
la transcripción. Cuando existe lactosa
en la célula, ésta se une a la proteína
represora eliminándola del DNA y con
ello permitiendo la unión de la RNA
polimerasa, activando la transcripción.
III. REGULACION CATABOLICA
Supongamos a la bacteria Escherichia
coli creciendo en un medio con varias
fuentes de carbono. La bacteria podría
sintetizar enzimas para degradar todas
las fuentes de carbono presentes. Esto
supondría un enorme derroche de
energía al sintetizar proteínas que no
son estrictamente necesarias. La
bacteria lo que hace es sintetizar el
sistema enzimático para la utilización
del mejor sustrato, reprimiéndose la
síntesis de los otros sistemas
enzimáticos. La glucosa fué el primer
sustrato estudiado que ocasionaba
represión catabólica, por lo que
también se le llama efecto glucosa,
aunque no es el único sustrato que
produce este efecto.
Sólo cuando se agota el primer sustrato
se sintetizan enzimas para la
utilización del siguiente. La
combinación de la inducción y
represión aseguran una economía
celular notable ya que sólo se
sintetizan los enzimas indispensables.
Operón Lac de E. coli
En este caso la lactosa es un inductor
natural del operón Lac de Escherichia
coli. Sin embargo, el mejor inductor
del operón Lac es el isopropil ß-Dgalactósido. Por lo tanto, podremos
manipular, a nivel de síntesis, la
producción de un enzima bien sea
introduciendo inductores auténticos o
análogos. También se puede manipular
por mutación del gen regulador (el que
codifica para la proteína represora)
inactivando la proteína represora, o
bien por mutación del operador con lo
que la proteína represora no presentará
afinidad por él.
Evitando el uso de fuentes de carbono
represoras en el medio de cultivo se
puede aumentar la producción de
enzimas sensibles a la represión
catabólica. Por ejemplo, usando
manosa en el crecimiento de
Pseudomonas fluorescens var.
cellulosa se produce 1500 veces más
celulasa que creciéndola en presencia
de galactosa.
IV. REGULACION POR
RETROALIMENTACION
En contraste a las rutas catabólicas que
suelen estar reguladas por el sustrato
inicial, como ocurre en los dos
sistemas de regulación ya descritos
(Inducción y Regulación catabólica);
las rutas anabólicas o de biosíntesis
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suelen estar reguladas por el producto
final, como es el caso de la
retroalimentación.
Existen dos tipos fundamentales de
regulación por retroalimentación:
unión al sustrato) y la otra el sitio de
unión al inhibidor. Cuando el inhibidor
se une a su centro, se distorsiona la
conformación del enzima impidiendo
la unión del enzima a su sustrato.
1.- Inhibición por retroalimentación
2.- Represión por retroalimentación
1.- Inhibición por retroalimentación
Es un fenómeno en el cual un
metabolito, generalmente el metabolito
final de una secuencia metabólica,
inhibe la acción de un enzima anterior
que, generalmente, es el primero de la
secuencia.
El inhibidor es el producto final y no
un derivado en contraste con el sistema
clásico de inhibición por competición
en el cual el inhibidor se asemeja al
sustrato y compite por el sitio activo
del enzima (Inhibidor Isostérico).
Inhibición competitiva
En la inhibición por retroalimentación
el inhibidor (producto final) no se
parece ni en tamaño, ni en forma, ni en
carga al sustrato por lo que se llama
inhibición alostérica. Generalmente,
los enzimas alostéricos están formados
por dos o más subunidades, una de las
cuales lleva el centro activo (sitio de
Inhibición alostérica
2.- Represión por retroalimentación
La represión por retroalimentación es
un fenómeno muy común que regula la
síntesis de aminoácidos y los
nucleótidos púricos y pirimidínicos.
Por ejemplo, si existe un nivel alto del
aminoácido triptófano en el medio de
cultivo, el microorganismo no va a
gastar energía sintetizando los enzimas
implicados en la biosíntesis de
triptófano. Esta regulación se lleva a
cabo mediante el producto final, en
este caso triptófano, que impide que
los genes que codifican para esos
enzimas no se transcriban en RNA
mensajero.
En Escherichia coli el operón trp está
formado por un promotor, un operador
y cinco genes que codifican para los
enzimas implicados en la síntesis de
triptófano. El gen regulador codifica
para una proteína represora inactiva
que no se puede unir al operador por lo
que la RNA polimerasa se une al
promotor sintetizándose los enzimas.
Por el contrario, si el triptófano está
presente y no se necesita más, la
proteína represora se une al triptófano
y se convierte en su forma activa, la
cual se une al operador bloqueando la
unión de la RNA polimerasa al
promotor e impidiendo la síntesis de
los enzimas.
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En la regulación acumulativa distintos
productos inhiben en distinta
proporción a un único enzima.
A la hora de utilizar un
microorganismo a nivel industrial, el
más fácil de desregular sería el
concertado, por lo que se tiende a usar
aquellos microorganismos que utilizan
este sistema, como es el caso de
Corynebacterium glutamicum para la
producción de lisina (aminoácido
deficitario en vegetales).
V. REGULACION DE LA SÍNTESIS
DE RNA POR AMINOÁCIDOS
Operón trp de E. coli
3.- Regulación por retroalimentación
en rutas ramificadas
Existen tres tipos de regulación por
retroalimentación en rutas ramificadas:
a) Isoenzimas o Diferencial
b) Concertado
c) Acumulativo
En la regulación diferencial varios
enzimas diferentes (denominados
isoenzimas) catalizan la reacción
inicial estando cada uno de ellos
inhibido por un producto distinto.
En la regulación concertada distintos
productos se unen para inhibir un
único enzima.
La mayor parte de los ejemplos de
regulación vistos hasta ahora
responden a condiciones nutricionales
específicas tales como la presencia de
un disacárido o la ausencia de un
aminoácido en el medio. Hace más de
20 años se descubrió en Escherichia
coli un "control global" al observar que
cuando se transferían las células de un
medio rico a un medio pobre se paraba
la síntesis de RNA disminuyendo la
síntesis de proteínas. Esta observación
indica que las células bacterianas
pueden regular la síntesis de RNA en
los casos de crisis metabólica.
Actualmente se sabe que la síntesis de
rRNA y tRNA cesan bajo esas
condiciones, cuando se acumulan dos
guaninas polifosfatos (ppGpp y
pppGpp) las cuales son sintetizadas por
un enzima llamado Rel A. Cuando
falta un aminoácido, en la síntesis de
proteínas el correspondiente tRNA se
encuentra en el ribosoma sin su grupo
aminoacil, lo que provoca que la
proteína Rel A sintetice pppGpp a
partir de GTP (que se utiliza como
fuente de energía en muchos pasos de
la síntesis proteica). Este pppGpp por
medio de una pirofosforilasa llamada
Gpp lo convierte en ppGpp que a su
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vez inhibe la síntesis de rRNA y tRNA
permitiendo únicamente la síntesis de
aminoácidos. Cuando existen niveles
aceptables de aminoácidos, el ppGpp
por medio de una 3' fosforilasa llamada
Spo T se convierte en el intermediario
normal GDP. El mecanismo por el cual
se activan unos mRNA (los implicados
en la síntesis de aminoácidos) y otros
se inhiben no se conoce de momento.
Este mecanismo, preciso y rápido,
protege a la bacteria de un crecimiento
deficiente.
VI. REGULACION POR EL
ESTADO O CARGA ENERGETICA
VI. REGULACION POR CONTROL
DE LA PERMEABILIDAD
La membrana citoplasmática controla
el paso de los nutrientes al interior de
la célula, así como hacia el exterior de
la célula. Existen cuatro mecanismos
que regulan el transporte de nutrientes.
1.- Difusión pasiva
Moléculas de H2O y algunos nutrientes
liposolubles pasan libremente a través
de la membrana hasta equilibrar
concentraciones. No hay consumo de
energía.
Existe una ecuación empírica mediante
la cual se puede determinar el estado
energético de una célula:
[ATP] + 1/2 [ADP]
E = --------------------------------[ATP] + [ADP] + [AMP]
Cuando el valor de E es alto indica que
no hay biosíntesis; por el contrario,
cuando el valor de E es bajo indica que
hay biosíntesis puesto que se está
consumiendo ATP.
Se ha comprobado que una célula en
fase logarítmica de crecimiento,
metabolismo primario, presenta un
valor de E = 0,5. Sin embargo, en fase
estacionaria tiene un valor de E = 0,8.
En fase estacionaria cambia
drásticamente el metabolismo celular
pasando al secundario. Los motivos
por los cuales ocurren estos cambios
no se conocen, aunque deben ser
múltiples debido al gran número de
reacciones metabólicas donde actúan el
ATP, ADP y AMP.
Difusión pasiva
2.- Difusión facilitada
Los nutrientes se unen a una proteína
transportadora para atravesar la
membrana pasando de mayor a menor
concentración. No hay consumo de
energía.
Difusión facilitada
3.- Transporte activo
La mayor parte de los nutrientes son
transportados mediante este
mecanismo. Este proceso permite
concentrar, en el interior celular, altos
niveles de nutrientes necesarios para
las actividades metabólicas. Hay
consumo de energía. El ATP
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distorsiona el sitio de unión a la
proteína transportadora dificultando a
la molécula la salida de la célula.
Transporte activo
4.- Transporte por translocación de
grupo
En este tipo la proteína transportadora
es un enzima que añade un grupo
fosfato del ácido fosfoenolpirúvico al
nutriente durante el transporte. Este
nutriente alterado ya no es capaz de
unirse a la proteína transportadora por
lo que se acumula dentro de la célula.
Translocación de grupo
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