Clase 9 Metabolismo Archivo

Metabolismo bacteriano
Bibliografía
1) Brock. Biology of Microorganisms. Madigan, Martinko, Stahl, Clark. 2011.
13ª edición.
2) The physiology and biochemistry of prokaryotes (2a. ed., 2000), de D.
White, Oxford University Press.
Metabolismo
Conjunto de reacciones químicas que se dan en un organismo, catalizadas por un
sistema enzimático cuya finalidad es el intercambio de materia y energía entre la célula
y el entorno. Son todas las reacciones que ocurren en la célula
Finalidades del metabolismo
 obtener energía química del entorno, almacenarla, para utilizar
luego en diferentes funciones celulares,
 convertir los nutrientes exógenos en unidades precursoras de
los componentes macromoleculares de la célula bacteriana Vías
Metabólicas Centrales
formar y degradar moléculas necesarias para funciones celulares
específicas, como por ejemplo, movilidad y captación de nutrientes.
Clasificación del Metabolismo bacteriano
Por el tipo de fuente de Energía:
• Fotótrofos: luz
• Quimiolitótrofos: compuestos inorgánicos (H, H2S, Fe)
• Quimioorganótrofos: compuestos orgánicos.
Todos las células requieren carbono (C) como nutriente principal.
Por el tipo de fuente de C:
• Autótrofos: fijan CO2 (Ciclo de Calvin o Inversión del Ciclo del ácido Cítrico u
otras). Se necesita:
- ATP
- poder reductor (NADH o NADPH).
Ejemplo: mayoría fotótrofos y muchos quimiolitótrofos.
• Heterótrofos: compuestos orgánicos.
Ejemplos: todos los quimioorganotrofos.
Fuente de Energía
Potenciales de reducción
Almacenamiento
Energía
Compuestos
ceden e-
El dador de e- es tan importante como el aceptor.
Sin uno de ellos, la reacción REDOX no puede ocurrir.
• El donador de e- es la fuente de E, ya que en la reacción de donación de e- se libera
energía.
• Cuánta mayor diferencia en Eo, mayor E liberada.
Metabolismo en procariotas
Fuente
Energía
Luz
Compuestos
Inorgánicos
Compuestos
Orgánicos
Carbono
CO2
Compuestos
orgánicos
Fotoautótrofo
Fotoheterótrofo
(pocos)
Fotótrofo
Autótrofo
Autoquimiolitótrofo
Mixótrofo (algunos)
Quimiolitótrofo
Quimioorganótrofo
Heterótrofo
Quimioorganótrofo
Quimioorganótrofos: obtienen Energía y C de compuestos orgánicos
Mecanismos de conservación de la energía
• respiración
• aeróbica
• anaeróbica.
• fermentación
Todos sintetizan ATP con
energía liberada de
reacciones redox.
Pasos secuenciales que deben seguir los nutrientes exógenos
(la materia prima)
1-Transporte hacia el interior celular
2-Catabolismo. Vías metabólicas centrales
I-Formación de los precursores
II- La fuerza motora
-producción de ATP
-poder reductor almacenado en forma de NAD+ y NADP+
3-Reacciones anabólicas
a-Biosíntesis
b-Polimerización
c-Ensamblado
Transporte hacia el interior celular
Transporte de Nutrientes - Funciones de la membrana
Transporte pasivo
Transporte activo
Proteína
transportadora
o carrier
Transporte activo
Transporte activo: transportadores ABC
Los solutos pasan la membrana externa a través de porinas y se unen a proteínas específicas en
periplasma antes de ser transportados por un complejo de membrana. Este complejo une e hidroliza
ATP para proveer energía al transporte (ATP-binding-cassette)
Transporte activo: sistema fosfotransferasa (PTS)
El soluto es modificado (fosforilado) durante el transporte. Usado para
transportar carbohidratos.
Es un sistema único de bacterias, no hay homólogos en arqueas ni en eucariotas
De dónde proviene el fosfoenolpiruvato?
Transporte activo: sistema fosfotransferasa (PTS)
Transporte secundario
Energía aportada por gradiente electroquímico generado por transporte primario
Sistemas de transporte de solutos en procariotas
Pasos secuenciales que deben seguir los nutrientes exógenos
(la materia prima)
1-Transporte hacia el interior celular
2-Catabolismo. Vías metabólicas centrales
I-Formación de los precursores
II- La fuerza motora
-producción de ATP
-poder reductor almacenado en forma de NAD+ y NADP+
3-Reacciones anabólicas
a-Biosíntesis
b-Polimerización
c-Ensamblado
Vías Metabólicas Centrales
Formación de precursores
Procesos metabólicos desde la glucosa a la síntesis
PPP
Glucólisis
TCA
La célula requiere un mínimo de tres vías para producir los precursores
La glucólisis produce seis, el TCA cuatro y la vía de las PPP produce otros dos
Vías metabólicas centrales
• Embden – Meyerhof - Parnas (EMP)
• Pentosas fosfato (PPP)
• Entner Doudoroff (ED)
3PGALD
PEP
Piruvato
Destinos del piruvato
Piruvato
NADH
Respiración
Fermentación
Vías metabólicas centrales
Vía Embden Meyerhof Parnas (EMP)
Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi
2 piruvato + 2 NADH + 2 ATP
3-PGALD
Glucolisis como vía anabólica
Vías metabólicas centrales
Vía de las pentosas fosfato (PPP)
Vía de las pentosas fosfato (PPP)
Fase oxidativa y
de decarboxilación
Vía de las pentosas fosfato (PPP)
Reacciones de la transcetolasa y la transaldolasa
• La transcetolasa transfiere un fragment de dos carbonos desde una cetosa a una aldosa
• La transaldolasa transfiere un fragment de tres carbonos desde una cetosa a una aldosa
• En ambos casos el donor es una cetosa con el OH del tercer carbon “hacia la izquierda”
Vía de las pentosas fosfato (PPP)
ADP
ATP
Gluconato
quinasa
6-P-gluconato
dehidratasa
3-PGALD
gluconato
Vías metabólicas
centrales
Via Entner- Doudoroff
(ED)
aldolasa
Glucosa + NAD+ + ADP + Pi + NADP+
•
Ausente en eucariotas
•
Común en bacterias
aeróbicas Gram-
•
No suele encontrarse en
bacterias aneróbicas
•
Rendimiento energético
menor que la EMP
2 piruvato + NADH + ATP + NADPH
Post -glicólisis
Oxidación del piruvato a Acetil-CoA
Aerobiosis
Piruvato Dehidrogenasa
Anaerobiosis
Piruvato formato liasa
Piruvato decarboxilasa
Piruvato Ferredoxina oxido-reductasa
Ciclo de Krebs
Ciclo de Krebs reductivo
Ocurre durante crecimiento
fermentativo
No hay actividad α-cetoglutarato
deshidrogenasa
La enzima fumarato
reductasa reemplaza a la
succinato deshidrogenasa
Disminuye la producción
de NADH y FADH2
Sigue produciéndose
oxalacetato, succinil-CoA
y α-cetoglutarato ,
necesarios para la
biosíntesis de
aminoácidos y
tetrapirroles
Fumarato reductasa
El ciclo de Krebs provee
intermediarios para la
biosíntesis
Reacciones anapleróticas
Reponen intermediarios del ciclo de Krebs que fueron utilizados para la biosíntesis
Reacciones anapleróticas
Piruvato carboxilasa
PEP carboxilasa
PEP carboxiquinasa
Durante la fermentación
en anaerobios puede
funcionar en la dirección
de síntesis de oxalacetato
Enzima málica
Piruvato + HCO3- + NAD(P)H
malato + NAD(P)+
Ciclo del glioxilato
Permite el crecimiento de
bacterias aeróbicas usando
como nutrientes ácidos
grasos y acetato
Malato
sintasa
Isocitrato
liasa
2 Acetil-CoA + NAD+
succinato + 2 CoA + NADH + H+
Red de reacciones bioquímicas del metabolismo central de
carbono en E.coli
Perrenoud, A. et al. 2005. J. Bacteriol. 187(9):3171-3179
Vías Metabólicas en Quimioorganótrofos
Quimioorganótrofos
 Respiracion aeróbica:
- O2 aceptor final de e- y se libera CO2.
- La bomba de protones produce ATP por
fosforilación oxidativa.
 Respiracion anaeróbica
anaeróbica:
- nitratos (NO3-), hierro férrico (Fe3+),
sulfatos (SO4=), carbonatos (CO3=) y
compuestos orgánicos aceptan e- y se
libera CO2.
- La bomba de protones produce ATP por
fosforilación oxidativa.
 Fermentación
Fermentación:
- Síntesis de ATP (menos) mediante
fosforilación a nivel sustrato, en lugar de
bomba de H+.
- Ocurre en ausencia de oxígeno y de
aceptores de e- apropiados.
- ATP se forma durante los pasos de
catabolismo de un compuesto orgánico.
PPP
6-P-gluconato
ED
Fermentación
 Síntesis de ATP mediante fosforilación a nivel sustrato, en lugar de bomba de
H+. Ocurre en anaerobiosis.
Uniones de P ricas en E son transferidas directamente a ADP para
formar ATP.
 El O2 no es muy soluble y ambientes se hacen anóxicos fácilmente.
 Entonces, la descomposición de materia orgánica ocurre anaeróbicamente.
 Si no existen suficientes aceptores de e- (O2, SO4=, NO3-, Fe+++), el carbono
será metabolizado por fermentación.
 La sustancia fermentada es el aceptor y dador de e-.
Fosforilación a nivel de sustrato
Compuestos de alta energía
Fermentación
Este proceso consiste en 3 etapas:
etapa 1: reacciones preparatorias
etapa 2: conservación de energía
etapa 3: consumo de NADH y producción de productos de fermentación
Fermentación: Glucólisis etapas 1 y 2
Etapa 1: Reacciones preparatorias
Etapa 2: conservación de energía
•Ocurren reacciones redox y producción de ATP
•Se forman 2 moléculas de piruvato
• No son reacciones redox
• Necesitan energía.
• Rinde dos moléculas de
gliceraldehído 3P
lisis
Etapa 3: fermentación.
• Ocurren reacciones redox
• Oxidación de NADH a NAD+.
• Producción de productos de fermentación.
 Se consideran productos de desecho en la regeneración de NAD+ en
ausencia de O2.
 Los productos de fermentación contienen energía (no son oxidados
completamente).
 Como consecuencia, la producción de ATP por fosforilación a nivel
sustrato es menos eficiente que la fosforilación oxidativa.
 Producción neta de E: 2 ATP.
Fermentación
Los productos de fermentación difieren dependiendo el organismo.
• Fermentación de ácido láctico:
- ocurre en músculo animal cuando se necesita más E y hay poco O2.
- ocurre en bacterias (en yogur) y hongos
• Fermentación de etanol:
- Importante en producción de pan, cerveza y vino.
- Normalmente solo un producto es deseable: pan (alcohol se descarta), vino (CO2 se elimina).
Homofermentativo: producción única de ácido láctico a partir de la
fermentación de glucosa.
Heterofermentativo: producción de varios productos, como lactato,
etanol, CO2 a partir de la fermentación de la glucosa.
Fermentaciones bacterianas
Fermentación láctica
Homoláctica
Heteroláctica
Fermentación ácido-mixta
Fermentación butanodiólica
Fermentación butírica
Fermentación propiónica
Fermentación homoacética
Fermentación homoláctica
Llevada a cabo por bacterias lácticas, anaerobias aerotolerantes
Glucosa + 2ADP + 2Pi
2 lactato + 2 ATP
Fermentación heteroláctica
Llevada a cabo por bacterias lácticas, anaerobias aerotolerantes
Carecen de la enzima aldolasa
4
Fermentación
heteroláctica
1- hexoquinasa
2- glucosa-6-P deshidrogenasa
3- 6-P-gluconato deshidrogenasa
4- ribulosa 5-P epimerasa
5- fosfocetolasa
6- fosfotransacetilasa
7- acetaldehido deshidrogenasa
8- alcohol deshidrogenasa
9- PGALD deshidrogenasa
10- PGA quinasa
11- fosfoglicerato quinasa
12- enolasa
13- piruvato quinasa
14- lactato deshidrogenasa
Glucosa + ADP + Pi
etanol + lactato + CO2 + ATP
Vía de las
pentosas
Fermentación ácido-mixta
Llevada a cabo por bacterias entéricas, anaerobias facultativas (Escherichia
coli, Salmonella, Shigella)
Produce una mezcla de compuestos: succinato, lactato, acetato, etanol,
formiato, CO2 e H2.
El ciclo de Krebs funciona en el modo reductivo porque el organismo está
en anaerobiosis. No hay actividad α-cetoglutarato deshidrogenasa ni
succinato deshidrogenasa, esta última es reemplazada por la fumarato
reductasa.
Se utiliza la piruvato-formiato liasa para obtener acetil-CoA en lugar de la
piruvato deshidrogenasa.
Fermentación ácido-mixta
Enzimas glicolíticas
Fosfoenolpiruvato
carboxilasa
Piruvato
quinasa
Malato
deshidrogenasa
Piruvato
formiato liasa
lactato
deshidrogenasa
Formiatohidrógeno liasa
fumarasa
Fosfotransacetilasa
Acetaldehído deshidrogenasa
Fumarato
reductasa
Acetato
quinasa
Alcohol deshidrogenasa
Fermentación butanodiólica
Es una alternativa a la fermentación ácido-mixta
Llevada a cabo por alguna bacterias entéricas, anaerobias facultativas
(Serratia, Erwinia, Enterobacter y Klebsiella)
Fermentación
butanodiólica
2. Piruvato-formato liasa
3. Formato-hidrógeno liasa
4. Acetaldehído
deshidrogenasa
5. Alcohol deshidrogenasa
6-7. α-acetolactato sintasa
8. α-acetolactato
decarboxilasa
9. 2,3-butanodiol
deshidrogenasa
10. Lactato deshidrogenasa
Enzimas glicolíticas
Conceptos de respiración /fermentación
En la RESPIRACIÓN, el NADH se oxida usando un aceptor de
electrones EXTERNO
En la FERMENTACIÓN, el NADH se oxida usando un aceptor de
electrones INTERNO
Respiración
aeróbica
Respiración
anaeróbica
Organización del sistema respiratorio
Organización del sistema respiratorio
AH2
Deshidrogenasas primarias
Q
Oxidasas
O2
Las bacterias tienen cadenas transportadoras de electrones
ramificadas
Cadena transportadora de electrones en
aerobiosis en E. coli
Alta afinidad
Cadena transportadora de electrones en
anaerobiosis en E. coli
Topología de las enzimas de la respiración
aeróbica y anaeróbica en E. coli
Cambios metabólicos que acompañan a la
entrada en anaerobiosis en E. coli
Mecanismos de regulación
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Respuesta de anaerobios facultativos a la anaerobiosis
Respuesta a nitrato y nitrito
Represión catabólica
Quimiotaxis
Esporulación
Regulación de la síntesis de porinas
Formación de biofilms
Expresión de factores de virulencia
Expresión de resistencia a antibióticos
El sistema ArcA-ArcB de Escherichia coli se
activa por anoxia
Regulación de la quinasa ArcB de Escherichia coli
por la tensión de oxígeno
Sistemas regulatorios por oxígeno y nitrato en E. coli
El sistema Fumarato nitrato reductasa (FNR)
de Escherichia coli
Control de la expresión de genes en
anaerobiosis por nitrato y nitrito
Represión catabólica
Es un sistema de control global,
regula la expresión de muchos genes
diferentes simultáneamente
– La síntesis de enzimas
catabólicas de otros azúcares se
reprime si hay glucosa presente en
el medio de cultivo (ej., operon lac )
– Se inhiben las permeasas
requeridas para el ingreso de otros
azúcares (inducer expulsion)
– Asegura que la “mejor” fuente
de carbon y energía se utiliza
primero
– Crecimiento diáuxico: dos fases
exponenciales de crecimiento
Growth on
lactose
Glucose
exhausted
Growth on
glucose
Represión catabólica
CRP protein
La transcripción de los genes
que codifican enzimas
cAMP
catabólicas es controlada por
una proteína activadora,
proteína receptora de AMP
cíclico (CRP). Es una forma de
control positivo.
RNA
polymerase
Binding of CRP recruits
RNA polymerase
DNA
lacI
Transcription
sistemas de control metabólico,
mRNA
C
P
O
lacZ
lacY
Active
repressor
binds to
operator
and blocks
transcription.
El AMP cíclico (AMPc) es la
molécula clave en muchos
lac Structural genes
Transcription
lacI
mRNA
lacZ
lacY
Translation
es un nucleótido regulatorio.
Enzimas para la degradación de lactosa,
maltosa, y otras fuentes de carbono
comunes
Los genes flagelares también están
controlados por repression catabólica.
No hay necesidad de nadar para buscar
nutrientes
lacA
Translation
LacI
Inducer
LacZ
Active
repressor
LacY
LacA
Lactose catabolism
Inactive
repressor
E. coli
lacA
Inducer
expulsion
Si hay glucosa:
IIA Gluc inhibe
transportadores
no PTS
La adenilato
ciclasa está
inactiva
Transportadores
no PTS: lactosa,
melobiosa,
maltosa, glicerol
Si no hay glucosa:
P- IIA Gluc estimula
la adenilato
ciclasa
AMPc se une a
CRP y se
transcriben los
genes catabólicos
E. coli