Licenciatura en Químico Farmacobiólogo -Biosíntesis de metabolitos primariosBiosíntesis y biotecnología Profesor (a): Luz María Alejo Álvarez Elaborado por: Iza Gutiérrez Manuel Alejandro Maldonado Urías María de Jesús Importancia de la producción de metabolitos primarios Introducción Los productos de la biotecnología se aplican hoy a un gran número de industrias: Alimenticia, farmacéutica, textil, detergentes, etc. Cuando un microorganismo crece en un medio con nutrientes en exceso, consigue completar sus vías metabólicas generando los productos finales del metabolismo energético y todos los compuestos necesarios para su ciclo de vida (aminoácidos, proteínas, nucleótidos, ácidos orgánicos, vitaminas, azúcares, grasas, alcoholes). Metabolitos primarios más importantes a nivel industrial Componentes esenciales y productos formados por los microorganismos: Proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y poliésteres (PHB y plásticos), ácidos grasos. Derivados del metabolismo intermedio: Azúcares (fructosa, ribosa, sorbosa), ácidos orgánicos (glucónico, ácido láctico, cítrico, acético, fumárico), alcoholes (etanol, glicerol,butanol), aminoácidos (Lys, Thr, Glu, Trp, Phe), vitaminas (B2, B12), nucleótidos saborizantes (ácidos inocínico y guanílico). Microorganismos productores: Bacterias, levaduras y hongos. Compuestos orgánicos Acetona y butanol: Ácido glucónico: Ácido itacónico: Resinas acrílicas Ácido cítrico: Alimentos y bebidas. Tratamiento de deficiencias de calcio (gluconato cálcico). Agente de lavado y suavizante. Por fermentación con Clostridium acetobutilicum. Vitaminas Las vitaminas se emplean como suplemento alimentario para personas y animales. Es el 2º fármaco más vendido (1.000 millones año). La mayoría se producen por síntesis química. La cobalamina y la riboflavina por fermentación. Aminoácidos Los aminoácidos tienen mucho uso en la industria alimentaria como aditivos, en medicina y como precursores en la industria química. El aminoácido más importante es el ácido glutámico (producido por Corynebacterium glutamicun) que se usa para aumentar el sabor (glutamato monosódico). Otros dos aminoácidos importantes son el ácido aspártico y la fenilalanina, que son los ingredientes del edulcorante artificial aspartamo. Nucleótidos Los nucleótidos son productos muy usados en la industria alimentaria. Se usa principalmente como saborizantes. Se usan cepas con alto contenido de ARN, principalmente: Bacillus subtilis, Candida utilis o Saccharomyces cerevisiae. Productos finales principales: IMP, GMP. Microorganismos involucrados, procesos o vías metabólicas, regulación y usos del producto. Biosíntesis de ácidos orgánicos La biosíntesis de ácidos orgánicos de bajo peso molecular es producidos por las rizobacterias, Los géneros bacterianos con capacidad de producir ácidos orgánicos que solubilizan fosfato se tienen: Pseudomonas, Rhizobium, Burkholderia, Achromobacter, Agrobacterium, Aereobacter, Flavobacterium, Yarowia, Streptosporangium y Erwinia. Ácidos orgánicos alifáticos producidos por bacterias. El ácido que produce la mayoría de bacterias es el ácido láctico. Ácidos orgánicos: hidroxiácidos producidos por bacterias. Rutas metabólicas o bio-sintéticas Usos del producto: ácidos orgánicos Ácidos glucónico y 2cetoglucónico son los agentes más frecuentemente reportados como solubilizadores de fosfato Participan en el suelo en fenómenos como la quimiotaxis microbiana y la detoxificación de metales. Ácido glucónico favorece la disolución de minerales, como la hidroxiapatita. Biosíntesis de vitaminas Las vitaminas del complejo B (tiamina, niacina, ác. pantoténico, riboflavina, ác. fólico y B6 y B12), se sintetizan mediante fermentación microbiana en el tracto digestivo, en particular de rumiantes y herbívoros no rumiantes. Usos del producto: Tienen un rol muy importante ayudando en la producción de glóbulos rojos y en conjunto con el ácido fólico trabaja en la síntesis del aminoácido metionina. Las principales fuentes naturales de la vitamina K son filoquinonas y menaquinonas. Las menaquinonas (vitamina K2) son producidas por la flora bacteriana, en los rumiantes. Usos del producto: La bacteria Escherichia coli sintetiza la vitamina K2, debido a que la utilizará para obtener energía celular. Procesos metabólicos Puede ser sintetizada solo por bacterias y se requiere para su síntesis, un átomo de cobalto (Co). Vitamina B12 La vía de síntesis involucra más de 30 enzimas mediadoras Esta vitamina al ser un tetrapirrol modificado, proviene del uroporfirinógeno III que es transformado en precorrina-2, que se oxida a factor II y finalmente es quelado con Co. El factor II del Co es metilado en la posición C-20, transformándose en factor III del Co. El factor III del Co es luego transformado a factor IV del Co. Describiéndose también una transformación de precorrina-3 a preocorrina-4, este factor IV del cobalto y precorrina-4 pasarán a ácido cobirnico que se transformará finalmente a vitamina B12 (cianocobalamina). Procesos metabólicos La bacteria Escherichia coli del intestino grueso sintetiza vitamina K2, mediante el siguiente mecanismo: Sus precursores son “quinate” y “eritrosa 4-fosfato”. Ambos se transforman, gracias a la participación de numerosas enzimas, en “shikimate”, que luego se transformará a “isochorismate”, gracias a la participación de otras enzimas. Vitamina K2 La bacteria Escherichia coli del intestino grueso sintetiza vitamina K2, mediante el siguiente mecanismo: sus precursores son “quinate” y “eritrosa 4-fosfato”. Ambos se transforman, gracias a la participación de numerosas enzimas, en “shikimate”, que luego se transformará a “isochorismate”, gracias a la participación de otras enzimas. Lo anterior ocurre en la “vía del shikimate”. Biosíntesis de aminoácidos El nitrógeno entra en la síntesis de aminoácidos, en forma reducida, por ejemplo, como NH4 Los organismos superiores son incapaces de convertir N2 a esta forma. Solo un pequeño número de microorganismos, todos procariontes, pueden fijar el nitrógeno atmosférico. Las bacterias pueden sintetizar el conjunto básico de los 20 aminoácidos. A esta conversión se le llama fijación de nitrógeno, la cual es realizada por bacterias, como las de la especie Azotobacter, y algas azul-verde. Algunos de estos microorganismos, por ejemplo las bacterias simbióticas Rhizobium, invaden las raíces de las plantas leguminosas (chícharo, frijol, habas, lentejas, garbanzo) y forman nódulos en las raíces, donde se lleva a cabo la fijación del nitrógeno, cuyo producto reducido (NH4) es aprovechado por las bacterias como por las plantas. Proceso de fijación de nutrientes para biosíntesis de aminoácidos En la mayoría de los microorganismos que fijan nitrógeno, la fuente de electrones de alto potencial en esta reducción de seis electrones es la ferredoxina reducida. La ferredoxina reducida transfiere sus electrones al componente reductasa del complejo. ATP se une a la dinitrogenasa reductasa y desplaza el potencial redox de la enzima de -0.20 a - 0.40 al alterar su conformación. Los electrones son transferidos a la dinitrogenasa, el ATP es hidrolizado, y la dinitrogenasa reductasa se disocia de la dinitrogenasa Finalmente, el N2 unido a la dinitrogenasa es reducido a NH4 +. Regulación de la biosíntesis de aminoácidos Retroinhibición (primera reacción) en la secuencia biosíntetica por parte del producto final. Multiplicidad enzimática: catalizada por distintos moduladores (isoenzimas), lo que evita el obstáculo de síntesis cuando es necesario. Inhibición Concertada: Regulada por una enzima alostérica (reacción irreversible) Retroinhibición secuencial: cuando la síntesis se inhibe en sitios diferentes de la misma vía ( en forma escalonada) por el producto Seis productos del metabolismo actúan como retromoduladores negativos (E. coli). Biosíntesis de nucleótidos Síntesis de pirimidinas En E. coli, el paso limitante en la biosíntesis de nucleótidos de pirimidina es la formación de Ncarbamilaspartato a partir de aspartato y carbamilfosfato. La aspartato transcarbamilasa, la enzima que cataliza esta reacción, es inhibida por retroalimentación por CTP, el producto final de la vía. La carbamilfosfato sintetasa II es inhibida por retroalimentación por UMP. Usos de los productos: nucleótidos Son precursores activados de ADN y ARN Los nucleótidos de adenina son componentes de tres coenzimas muy importantes: NAD+ , FAD y coenzima A Son reguladores metabólicos, el AMPc es mediador ubicuo de la acción de muchas hormonas. Las modificaciones covalentes, como fosforilación de la glucógeno sintetasa y la adenilación de la sintetasa de glutamina Gracias!!!
