Asimilación del carbono en diferentes grupos microbianos.

Metabolismo del Carbono
Microorganismos
Clasificación
Fuente de energía
Oxido-reducción
Quimiótrofas
Luz
Fotótrofas
Compuestos orgánicos
Quimioheterótrofos
Fuente de carbono
Compuestos orgánicos
Fotoheterótrofos
Fuente de carbono
Compuestos orgánicos
Quimioheterótrofos
CO2
Compuestos inorgánicos
Quimiolitótrofos
Fuente de carbono
Compuestos Orgánicos
Mixótrofos
CO2
Litoautótrofos
CO2
Fotoautótrofos
Crecimiento en
compuestos de C1
Muchos procariotes pueden crecer
en compuestos de un carbono
como única fuente de carbono. Los
compuestos más comunes son:
•Dióxido de carbono (CO2)
•Metano (CH4)
•Metanol (CH3OH)
•Metilamina (CH3NH2)
Methylococcus capsulatus
Pocos procariotes anaerobios (metanógenos) pueden utilizar el
CO2 como fuente de carbono y también como aceptor de
electrones, reduciendo a metano y produciendo ATP.
Autótrofos
Organismos que
emplean el CO2 como
fuente de carbono.
Algas
Cianobacterias
Bacterias púrpura
Bacterias halófilas
Bacterias quimiolitótrofas
Crecimiento Autotrófico
Ribulosa difosfato carboxilasa (RubisCO). Convierte la
ribulosa 1,5-difosfato en ácido 3-fosfoglicérico.
http://www.efn.uncor.edu/dep/biologia/intrbiol/fotosint.htm
RubisCO
Se encuentra presente en:
•Bacterias púrpura
•Cianobacterias
•Algas
•Plantas verdes
•Muchas bacterias Quimiolitótrofas
•Algunas arqueobacterias halófilas e
hipertermófilas
Protein Data Bank
•Carboxisomas
Thiobacillus neapolitanus
Prochlorococcus marinus
Synechococcus sp.
Ciclo de
Calvin
http://www.msu.edu/~smithe44/campbell_10.16
Ciclo de Calvin
•Carboxilación. La enzima
rubisco cataliza la combinación
de la ribulosa difosfato con el
CO2, formándose un
compuesto intermedio e
inestable (de 6 átomos de
carbono), que se descompone
en dos moléculas de
fosfoglicerato (con 3 átomos).
•Reducción. Mediante la
energía que suministra el ATP y
el poder reductor del NADPH, el
fosfoglicerato se transforma en
gliceraldehído 3-fosfato.
•Recuperación. De cada 6 moléculas de
gliceraldehído 3-fosfato, 5 se transforman en 3
moléculas de ribulosa difosfato (con consumo
de ATP) y la otra se considera el rendimiento
neto del ciclo.
http://recursos.cnice.mec.es/biologi
a/bachillerato/segundo/biologia/ud
04/02_04_04_02_023.html
Ciclo de
Calvin
Emplea el ATP y el poder
reductor para fijar el CO2.
•Emplea una
ferredoxina
reducida
proveniente de
la fotosíntesis.
•Del
oxaloacetato se
asimilan 3
moléculas de
CO2 y se
produce
Piruvato que va
a formar parte
del material
celular.
•Hay gasto de
ATP.
Ciclo de Krebs reverso
Bacterias que realizan el Ciclo
de Krebs reverso
•Bacterias verdes del azufre (Chlorobium).
Bacterias Gram negativas que fueron aisladas en
Nueva Zelanda y se desarrollan en aguas termales
con presencia de sulfuros de hidrógeno. C. tepidum,
es el modelo del grupo por su facilidad de cultivo, es
una bacteria que realiza la fotosíntesis anoxigénica,
utiliza H2, Sº y H2S como donadores de electrones
además deposita en el medio gránulos de Sº.
Bacterias que realizan el Ciclo
de Krebs reverso
•Desulfobacter sp
Bacteria sulfato reductora, Gram
negativa anaerobia estricta, móvil por la
presencia de un flagelo polar, utiliza el
acetato como donador de electrones y
lo oxida a CO2 por el ciclo de Krebs.
•Hydrogenobacter sp
Bacterias que oxidan
el hidrógeno para
obtener energía,
acidófilas y termófilas.
Vía del
Hidroxipropionato
•Acetil-CoA/propionil-CoA carboxilasa es la enzima clave de la vía.
•Un acetil-CoA y dos moléculas de CO2 son reductivamente
convertidas vía 3-hidroxipropionato a succinil-CoA. Este intermediario
es reducido a 4-hidroxibutirato y convertido en dos moléculas de
acetil-CoA por la 4-hidroxibutiril-CoA dehidratasa.
Bacterias que realizan la vía del
Hidroxipropionato
•Bacterias verdes no del azufre
(Chloroflexus).
Bacteria filamentosa, anoxigénica, no todas
las especies pueden emplear los sulfuros
como donador de electrones. Chloroflexus
generalmente es fotoheterótrofo y utiliza H2
y sulfuros como donadores de electrones.
Cuando crece autotróficamente fija CO2
por la vía del hidroxipropionato.
Chloroflexus tiene un crecimiento óptimo
entre 50 y 60ºC por lo que se encuentra en
la naturaleza en aguas termales, lagos, ríos y
sedimentos, y en ambientes hipersalinos.
Bacterias que realizan la vía del
Hidroxipropionato
•Arqueas hipertermófilas
Acidianus sp
Metallosphaera prunae
Hipertermófila, acidófila,
que posee capa
cristalina S. Fue
encontrada en una
mina de uranio.
Se observa la capa
cristalina S y una partícla
viral en la parte superior
derecha. Mixótrofo o
autótrofo, crece
anaeróbicamente en CO2
y Sº y aeróbicamente en
medios orgánicos.
Sulfolobus sp
Hipertermófila,
acidófila, aerobia,
heterótrofa que
puede emplear el
Sº como fuente de
energía.
Vía Acetil CoA reductiva
•Un CO2 es capturado por
un cofactor especial
(tetrahidrofolato: T ) y
reducido a grupo metil.
•La otra el CO2 es reducido
a un grupocarbonil (C=O)
por la monóxido
deshidrogenasa.
•El grupo carbonil se une
con el grupo metil para
formar Acetil CoA por el
complejo enzimático Acetil
CoA sintasa.
•La vía requiere H2 como
donador de electrones.
http://lecturer.ukdw.ac.id/dhira/Metabolis
m/CarbonAssim.html
Vía Acetil CoA reductiva
•Bacterias acetogénicas (Clostridium
thermoaceticum, Acetobacterium woodii).
•Metanogénicas (Methanobacterium
thermoautotrophicum).
•Autótrofas sulfato reductoras
(Desulfobacterium autotrophicum).
Microorganismos Metilótroficos
•Bacterias aerobias que
pueden crecer en
compuestos que no
contienen puentes de C-C,
diferentes al CO2.
•Puede fabricar sus propios
compuestos orgánicos
empleando como fuente
de carbono dichas
pequeñas moléculas, y
además puede oxidarlas
para obtener energía
metabólica.
Methylobacterium oryzae
Microorganismos Metilótroficos
•Monóxido de carbono CO
•Metano (CH4)
•Metanol (CH3OH)
•Formaldehído (HCHO)
•Formato (HCOOH)
•Metilamina (CH3NH2)
•Trimetilamina [(CH3)3N]*
•Dimetil éter [(CH3)2O]*
•Dimetil carbonato (CH3OCOOCH3)*
•Dimetil sulfóxido [(CH3)2SO]*
Methylamine-enriched community of
Lake Washington sediment featuring
Methylotenera cells.
*Compuestos con múltiples carbonos
que no contienen enlaces C-C.
Puede utilizar compuestos como al amonio, etileno, clorometano,
bromometano e hidrocarburos de más carbonos como etano y
propano como sustratos oxidables pero no utilizables para crecer.
Clasificación de las bacterias
metilótroficas
Metilótrofos
Obligados
No pueden crecer en
compuestos con multicarbonos
y pueden crecer en
metanol o metilamina
Facultativos
No pueden crecer en
compuestos con multicarbonos
y pueden crecer en
metanol o metano
Pueden crecer
en cualquier
compuesto
de C1
Metanótrofos
Bacterias metilótroficas
Obligadas
No metanótrofas
Facultativas
No pueden crecer en
compuestos con multicarbonos
y pueden crecer en metanol o
metilamina, no en metano.
Pueden crecer en cualquier
compuesto de C1
Bacterias aeróbicas Gram
negativas: Methylophilus y
Metanobacillus.
Bacterias Gram positivas y Gram
Negativas: Bacillus, Acetobacter,
Mycobacterium, Arthrobacter,
Hyphomicrobium, Methylobacterium y
Nocardia.
Bacterias metilótroficas
•Obligadas
Metanótrofas. No pueden crecer en compuestos con
multicarbonos y pueden crecer en metanol o metano.
Grupo
Organismo
Formas de
reposo
Ciclo del ácido
cítrico&
Asimilación de
carbono
Fijación
de N2
I
Methylomonas
Quistes
Incompleta
Ribulosa monofosfato
No
I
Methylomicrobium
No tiene
Incompleta
Ribulosa monofosfato
No
I
Methylobacter
Quistes
Incompleta
Ribulosa monofosfato
No
I
Methylococcus *
Quistes
Incompleta
Ribulosa monofosfato
Si
II
Methylosinus
Exospora
Completa
Serina
Si
II
Methylocystis
Exospora
Completa
Serina
Si
II
Methylocellae
Exospora
Completa
Serina
Si
* Contiene las enzimas del ciclo de Calvin.
&Organismos
con un ciclo del ácido cítrico incompleto carecen de la enzima alfa-cetoglutarato
deshidrogenasa y no pueden oxidar acetato a CO2.
Metanótrofos
•Poseen un sistema de enzimas específico, la metanomonooxigenasa.
•Forman un complejo sistema de membranas internas cuando
crecen donde se lleva a cabo la oxidación del metano. Contienen
alta concentración de esteroles.
Tipo I, grupos de
vesículas con forma
de disco distribuidas
por todo el
organismo.
Tipo II, membranas
organizadas en la
periferia de la célula.
Methylomonas sp
Methylosinus sp
Oxidación del metano
•Metanomonooxigenasa.
•Metanol
deshidrogenasa.
•Formaldehido
deshidrogenasa.
•Formato
deshidrogenasa.
Vía de la
ribulosa
monofosfato
Metanótrofos Tipo I
Vía de la
Serina
Metanótrofos Tipo II
Bacterias carboxidotróficas
CO + H2O →
CO2 + 2H+ + 2e•Enzima monóxido de
carbono
deshidrogenasa.
•CO como donador
de electrones para la
síntesis de ATP.
•Fija el CO2 generado
mediante el Ciclo de
Calvin.
Nature Reviews Microbiology 5, 107-118 (February 2007)
Catabolismo de compuestos
orgánicos
Enzimas extracelulares
Las exoenzimas son enzimas producidas por microorganismos y
excretadas al medio ambiente.
Son ampliamente utilizadas en diversos factores industriales. Estas
enzimas son producidas naturalmente por los microorganismos
para su sobrevivencia.
Lipasa
Celulasa
b-galactosidasa
Degradación de polímeros de C
Sustancias
Composición
Fuentes
Enzimas
catabólicas
Celulosa
Polímero de glucosa
(b-1,4-)
Plantas (hojas, tallos)
Celulasa (b-1,4glucanasas)
Almidón
Polímero de glucosa
(a-1,4-)
Plantas (hojas,
semillas)
Amilasa
Glucógeno
Polímero de glucosa
(a-1,4- y b-1,6-)
Animales (músculo)
Amilasa,
fosforilasa
Laminarina
Polímero de glucosa
(b-1,3-)
Algas marina
b-1,3-Glucanasa
(laminarinasa)
Paramilón
Polímero de glucosa
(b-1,3-)
Algas
b-1,3-Glucanasa
Polímero de
galactosa y ácido
galacturónico.
Algas rojas
Agarasa
Agar
Degradación de polímeros de C
Sustancias
Composición
Fuentes
Enzimas
catabólicas
Quitina
Polímero de Nacetilglucosamina (b-1,4)
Hongos (paredes
celulares),
insectos
(exoesqueleto)
Quitinasa
Pectina
Polímero de ácido
galacturónico
Pectina (hojas,
semillas)
Pectinasa
(poligalacturonasa
)
Polímero de glucosa
Cápulas o capas
mucoides
Dextranasa
Heteropolímero de xilosa y
otros azúcares (b-1,4- y
otros laterares a-1-2 o a-1,3)
Plantas
Xilanasa
Dextrano
Xilano
Utilización de lactosa
•La lactosa puede ser utilizada
por diferentes microorganismos
por dos mecanismos:
•La inducción bajo el control del
operón lac para una permeasa y
una b-galactosidasa.
•Sistema PTS con una enzima II
específica para lactosa.
Operón lac. Con lactosa (alolactosa)
•En presencia de lactosa
extracelular, bajos niveles
de b-galactosidasa que
se encuentra en la célula
convierten lactosa en
alolactosa (grupo
galactósido en la
posición 4 en lugar de la
posición 6).
•La alolactosa se une a
la proteína represora y la
desacopla de su lugar en
el operador.
•La ARN polimerasa
transcribe los genes para
el trasporte y utilización
de la lactosa.
Operón lac. Efecto de la glucosa
•AMPc
•CRP (Receptora de AMPc o
•En un medio sin glucosa pero
con lactosa los niveles de AMPc
proteína activadora de catabolitos) son altos. La proteína CRP tiene
sitios de unión para el ADN y
para el AMPc. El complejo
AMPc-CAP se une a una zona
cercana al promotor lac, y
favorece la unión de la ARN
polimerasa al promotor,
aumentando la transcripción
hasta 50 veces. Se ha
demostrado que el AMPc y la
CAP contribuyen a la iniciación
de la transcripción, ayudando al
reconocimiento del sitio de
iniciación por la ARN polimerasa.
Simporte de lactosa
•Lactose can be transported
into E. coli against a
concentration gradient using
galactoside permease, one
of the proteins encoded by
the lac operon. This protein
uses a proton-motive force to
pump lactose into the cell.
•The proton gradient is
http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/clas
ses/ch331/signaltrans/olsignalenergy.html
created by an electron
transport complex in the
membrane which is inhibited
by cyanide, reminiscent of
the cytochrome C oxidase
complex in oxphos.
Crecimiento Heterotrófico
ATP
Glucosa
ATP
NADPH
Glucosa 6P
Fructosa 6P
ATP
Gluconato 6P
Pentosas-P
ATP
Gluconato
CO2,
NADPH
Fructosa 1,6 biP
Glucólisis
Pentosa
Gliceraldehído P
ATP, NADH
Fosfoenolpiruvato
ATP
Piruvato
NADPH, CO2
Acetil CoA
Entner
Doudoroff
Las vías del
metabolismo central:
Glucólisis (EmbdenMeyerhof-Parnas
EMP), de las Pentosas
fosfato y EntnerDoudoroff proveen de
precursores
metabólicos para
otras vías, son las vías
para el metabolismo
de carbohidratos y
ácidos carboxílicos.
Las tres vías convierten por diferentes rutas
la glucosa en gliceraldehído, que es
oxidado por la misma reacción para
formar piruvato.
Glucólisis
•La vía de la glucólisis
(Embden-MeyerhofParnas EMP), se encuentra
en todos los eucariotes y
en muchas especies de
bacterias.
•En la primera etapa hay
gasto de 2 moléculas de
ATP por molécula de
glucosa.
•En la segunda parte se
forman 4 moléculas de
ATP por fosforilación a
nivel de sustrato y 2 de
NADH.
Ciclo de las pentosas fosfato
Importancia:
•Produce los precursores
de la ribosa, desoxirribosa
en los ácidos nucleicos y
provee de eritrosa fosfato
como precursor de
aminoácidos aromáticos.
•Se produce en está vía,
NADPH, la mayor fuente
de electrones de la
biosíntesis y varias de sus
reacciones las comparte
con el ciclo de Calvin.
Vía EntnerDoudoroff
•Muchos tipos de bacterias no
poseen la enzima
fosfofructocinasa-1 y no pueden
convertir la glucosa-6P a
Fructosa 1,6-difosfato.
•Una vía alterna es EntnerDuodoroff, en la cual la glucosa
6P es convertida a piruvato y
Gliceraldehído-3-fosfato por la
desidratación poco usual del
6-fosfogluconato para formar
2-ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato
(KDPG).
Oxidación/Fermentación
•En la prueba de Oxidación-
fermentación se emplea el medio
de Hugh and Leifson en
condiciones aerobias y anaerobias
para determinar el metabolismo
oxidativo o fermentativo de un
hidrato de carbono.
•La fermentación requiere de una fosforilación inicial, utiliza
principalmente la vía de la Glucólisis (Embden-Meyerhof-Parnas
EMP), aunque también puede utilizar las vías de las Pentosas
fosfato o Entner-Doudoroff (ED) en combinación con EMP.
•La vía metabólica de Embden-Meyerhof-Parnas
también se
denomina glucolítica o anaerobia o fermentativa. La vía
metabólica de Entner-Doudoroff también se denomina aerobia.
Oxidación/Fermentación
Glucosa
 Glucosa
Deshidrogenasa
Ácido glucónico
 Gluconato
dehidratasa
•La oxidación de la glucosa
produce ácido pirúvico por la
vía de Entner-Doudoroff (ED) o
por una derivación. Ambas se
han encontrado en procariotes.
•La vía de ED ocurre en
condiciones aerobias.
•La vía de derivación no
requiere de fosforilación inicial.
Ácido2-ceto-glucónico
 Cinasa
Ácido 2-ceto-6-fosfoglucónico
(KDPG)
 Reacciones ED
2 Moles de ácido pirúvico
• En la derivación se forma el
intermediario KDPG que se
incorpora a la vía de ED para
formar piruvato.
Ciclo de Krebs
• Aunque la vía de los
ATC se asocia a bacterias
aeróbicas, no todas ellas
poseen el ciclo completo.
•También se presenta en
muchas bacterias
heterotróficas que crecen
anaeróbicamente y en
ciertos anaerobios que
oxidan completamente
los compuestos orgánicos
a CO2.
Fermentación
Es definida como una ruta en la cual el NADH es reoxidado por
metabolitos producidos por la vía. Las reacciones redox ocurren
principalmente en el citoplasma y el ATP es producido por
fosforilación a nivel de sustrato. La fermentación sucede en
condiciones anaeróbicas.
•Células eucariotes.
Levaduras, fermentación alcohólica
Células musculares y eritrocitos, fermentación láctica
•Células procariotes.
1. Láctica
2. Alcohólica
3. Butírica
4. Ácido mixta
5. Propionica
6. Homoacética
Fosforilación a
nivel de sustrato
El sustrato orgánico (donador de
e-) pasa por una ruta catabólica
(ej., la glucólisis), y uno de los
intermediarios de esa ruta es
oxidado por un coenzima, se
origina un intermediario no
fosforilado con una gran energía
de hidrólisis. El intermediario
experimenta enseguida una
sustitución con un fosfato, para dar
la correspondiente forma acilfosfato (enlace de alta energía).
Este acil-fosfato dona su fosfato de
alta energía al ADP, que pasa a
ATP.
Compuesto orgánico
(reducido)
Intermediario A
NAD+
Pi
NADH
Intermediario B
P
Intermediario C
P
Acarreador
electrónico
ADP
ATP
Intermediario D
(oxidado)
NADH
NAD+
Producto final (reducido)
Fermentación
•Se realiza en
condiciones
anaerobias.
•Emplea como
aceptor de
electrones a una
molécula
orgánica.
•Utiliza el NADH
producido en la
glucólisis.
•Se conserva la
energía de la
fosforilación a nivel
de sustrato (FNS).
Acido láctico
+2H
Ácido pirúvico
+ ácido
pirúvico
-CO2
ATP
Streptococcus
Lactobacillus
Staphylococcus
Acido
a-acetoláctico
-CO2
H2
ADP
+CO2
Acetoina
+2H
CO2
Acido oxaloacético
+2H
Acido málico
2,3-butanediol
Shigella
Ácido fórmico
-H2O
+2H
Klebsiella
Enterobacter
Bacillus
Acetil-S-CoA
-CoA-SH
+4H
-CoA-SH
Acido succinico
-CO2
Acido propionico
Etanol
CO2
H2
E. coli
Salmonella
Bifidobacterium
Propionibacterium
Acido
Acético
+Acetil S-CoA
-CoA-SH
Clostridium
Acetoacetil-S-CoA
Acetona
-CO2
+4H
Butiril-S-CoA
-CoA-SH
+2H
Isopropanol
-CoA-SH
Ácido Butirico
+4H
Butanol
Efecto Pasteur
Cuando microorganismos
facultativos se están
cultivando anaeróbicamente
y se exponen al oxígeno, hay
una inhibición del consumo
de glucosa, esto es conocido
como efecto Pasteur y refleja
el incremento de rendimiento
energético obtenido por el
metabolismo respiratorio de la
glucosa comparado con el
obtenido por la fermentación
de la glucosa.
Efecto Crabtree
Se refiere a la inhibición del consumo de oxígeno producido
por aumento en la concentración de glucosa.
Producción de energía
Reacción de
Stickland
Reacción de
Stickland
Clostridium, emplea
aminoácidos como
aceptores y donadores
de hidrógeno para
obtener energía.