Metabolismo bacteriano 2017 Bibliografía

Transcripción

1 Metabolismo bacteriano 2017 Bibliografía 1) Brock. Biology of Microorganisms. Madigan, Martinko, Stahl, Clark ª edición en adelante. 2) The physiology and biochemistry of prokaryotes (2a. ed., 2000), de D. White, Oxford University Press.

2 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

3 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.

4 Clasificación del Metabolismo bacteriano Por el tipo de fuente de Energía: Quimioorganótrofos: compuestos orgánicos. Quimiolitótrofos: compuestos inorgánicos (H, H 2 S, Fe) Fotótrofos: luz Por el tipo de fuente de C: Autótrofos: fijan CO 2 (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.

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6 Fuente Metabolismo en procariotas Carbono Energía Luz Compuestos Inorgánicos Compuestos Orgánicos CO 2 Fotoautótrofo Autoquimiolitótrofo Autótrofo Compuestos orgánicos Fotoheterótrofo (pocos) Mixótrofo (algunos) Quimioorganótrofo Heterótrofo Fotótrofo Quimiolitótrofo 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.

7 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. Cuanta mayor diferencia en Eo, mayor E liberada.

8 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

9 Transporte hacia el interior celular

10 Transporte de Nutrientes Funciones de la membrana

11 Transporte pasivo Transporte activo Proteína transportadora o carrier

12 Transporte activo

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14 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)

15 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?

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17 Transporte activo: sistema fosfotransferasa (PTS)

18 Transporte secundario Energía aportada por gradiente electroquímico generado por transporte primario

19 Sistemas de transporte de solutos en procariotas

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21 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 NADH y NADPH 3 Reacciones anabólicas a Biosíntesis b Polimerización c Ensamblado

22 Vías Metabólicas Centrales Formación de precursores

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24 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

25 Vías metabólicas centrales Embden Meyerhof Parnas (EMP) Pentosas fosfato (PPP) Entner Doudoroff (ED) 3PGALD PEP Piruvato

26 Vía Embden Meyerhof Parnas (EMP) Glucosa + 2 NAD ADP + 2 Pi 2 piruvato + 2 NADH + 2 ATP 3 PGALD

27 Glucolisis como vía anabólica

28 Vía de las pentosas fosfato (PPP)

29 Vía de las pentosas fosfato (PPP)

30 ADP ATP hexoquinasa glucosa 6 P deshidrogenasa Gluconato quinasa gluconato piruvato quinasa enolasa 3 PGALD triosa P deshidrogenasa PG quinasa aldolasa 6 P gluconato dehidratasa Via Entner Doudoroff (ED) Ausente en eucariotas. Común en bacterias aeróbicas Gram Bacterias que carecen de fosfofructoquinasa o fructosa bisfosfato aldolasa Creciento en ácidos aldónicos No suele encontrarse en bacterias aneróbicas Rendimiento energético menor que la EMP Glucosa + NAD + + ADP + Pi + NADP + 2 piruvato + NADH + ATP + NADPH mutasa

31 1. Oxidación del piruvato a Acetil CoA Aerobiosis Piruvato Deshidrogenasa Destinos del piruvato Anaerobiosis Piruvato Ferredoxina oxido reductasa Piruvato formato liasa 2. Formación de alcoholes o ácidos orgánicos

32 Destinos del piruvato Piruvato NADH Respiración Fermentación

33 Ciclo de Krebs

34 El ciclo de Krebs provee intermediarios para la biosíntesis

35 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 FADH 2 Sigue produciéndose oxalacetato, succinil CoA y α cetoglutarato, necesarios para la biosíntesis de aminoácidos y tetrapirroles Fumarato reductasa NADH

36 Ciclo del glioxilato Permite el crecimiento de bacterias aeróbicas usando como nutrientes ácidos grasos y acetato Malato sintasa Isocitrato liasa NAD + NADH + H + 2 Acetil CoA + NAD + succinato + 2 CoA + NADH + H +

37 Red de reacciones bioquímicas del metabolismo central de carbono en E.coli Perrenoud, A. et al J. Bacteriol. 187(9):

38 Vías Metabólicas en Quimioorganótrofos

39 Quimioorganótrofos Respiracion aeróbica: -O 2 aceptor final de e- y se libera CO 2. - La bomba de protones produce ATP por fosforilación oxidativa. Respiracion anaeróbica: -nitratos(no 3 -), hierro férrico (Fe 3+ ), sulfatos (SO 4= ), carbonatos (CO 3= ) y compuestos orgánicos aceptan e- y se libera CO 2. - La bomba de protones produce ATP por fosforilación oxidativa. 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.

40 PPP 6 P gluconato ED

41 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

42 Respiración aeróbica Respiración anaeróbica

43 Organización del sistema respiratorio

44 Organización del sistema respiratorio AH2 Deshidrogenasas primarias Q Oxidasas O 2

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46 Sitios de acoplamiento Lugares dentro de la cadena transportadora de electrones en los cuales las reacciones redox están acopladas a la extrusión de protones, creando un gradiente protomotriz (Δp). Directamente ligado a la síntesis de ATP, ya que los protones extruídos reingresan por la ATP sintasa y se produce la síntesis de ATP. Loop Q: traslocación escalar de H+ Bombas de protones: traslocación vectorial

47 Exterior Traslocación de protones: Q loop y bombas Citoplasma Sitio 1 bomba de protones 2H + fp 2x [e ] FeS 2[H] NADH + H + NAD + 2H + QH 2 Q Sitio 2 Q loop 2H + 2x [e ] Citocromos ½ O 2 + 2H + Sitio 3 bomba de protones 2H + Citocromo oxidasa H 2 O 2H + Adaptado de White, 2007 The physiology and biochemistry of prokaryotes

48 Las bacterias tienen cadenas transportadoras de electrones ramificadas

49 Oxidasas terminales: quinol oxidasas y citocromo c oxidasas

50 Cadena transportadora de electrones en aerobiosis en E. coli Baja afinidad Bomba de H* (1H + /e ) Alta afinidad No es bomba de H* NDH 1 bomba de protones (2H +/ e ) NDH 2 no es bomba de protones E. coli puede regular Δp generado durante la respiración

51 Cadena transportadora de electrones en anaerobiosis en E. coli

52 Cambios metabólicos que acompañan a la entrada en anaerobiosis en E. coli La transcripción de los genes que codifican para nitrato reductasa, fumarato reductasa y las otras reductasas está reprimida en presencia de oxígeno En ausencia de oxígeno pero presencia de nitrato, se induce la transcripción del gen de la nitrato reductasa, pero los genes que codifican las otras reductasas son reprimidos. Sólo en ausencia de O 2 y nitrato se expresa la fumarato reductasa. En ausencia de aceptores de electrones externos E. coli obtiene ATP por fermentación.

53 Sistemas regulatorios que dirigen la expresión génica que acompañan a la entrada en anaerobiosis en E. coli Sistema Arc (aerobic respiratory control): sistema de dos componentes que reprime la transcripción de genes de vía aeróbicas durante la anaerobiosis. Además estimula la transcripción de algunos genes que se expresan durante microaerofilia y condiciones anaeróbicas Sistema Fnr (fumarato nitrato reductasa): estimula la transcripción de genes requeridos para fermentación y respiración anaeróbica, y reprime genes que funcionan durante aerobiosis Sistema NarL/NarP/NarX/NarQ: sistema de dos componentes que estimula la transcripción de la nitrato reductasa y otros genes requeridos para el metabolismo de nitrato y nitrito. Reprime la transcripción de genes de otras reductasas terminales Regulón FhlA (regulón del formiato): conjunto de genes reprimidos por oxígeno y nitrato y estimulados por formiato. Incluye la formiatohidrógeno liasa, necesaria para convertir formiato en H 2 y CO 2

54 TCS Sistemas de dos componentes (TCS) Regulan diversas respuestas en diferentes tipos de organismos (Eubacteria, Arquea, Eucariotas) Adquisición de nutrientes: P, N C Metabolismo energético Virulencia: producción de toxinas, adherencia, transferencia de plásmidos Adaptación a cambios físicos o químicos del medio ambiente: ph, osmolaridad, temperatura Vías complejas de desarrollo: esporulación, fructificación Producción de antibióticos

55 TCS Sistemas de dos componentes Señal ambiental Quinasa Sensora His ATP ADP His Membrana citoplasmática P P RNA polimerasa P Actividad fosfatasa Regulador de respuesta P Activación transcripción DNA Promotor Operador Genes estructurales

56 TCS Sistemas de dos componentes La señal de entrada provoca un cambio conformacional en el dominio de entrada de la HK y por consiguiente un cambio conformacional en el dominio transmisor de HK. Los cambios conformacionales en la HK estimulan la autofosforilación de su dominio transmisor; un grupo fosforilo se transfiere desde el ATP al residuo de histidina. El dominio receptor no fosforilado del RR se asocia con el dominio del transmisor, lo que resulta en la fosforilación del receptor. La fosforilación del receptor hace que el dominio de salida del RR cambie su conformacion y se libere la señal de salida. La señal de salida se mantiene hasta que el receptor se produce la desfosforilación e interrumpe la respuesta regulatoria. La desfosforilación del receptor se logra por: 1) Actividad autofosfatasa del dominio receptor 2) Estímulo de la actividad fosfatasa del transmisor Dos componentes simple Señal de entrada Sensor Sensor H P transmisor Histidin quinasa P D receptor efector Regulador de respuesta respuesta

57 TCS Ejemplos de sistemas de dos componentes ovans/vanr resistencia a Vancomicina o ArcB/ArcA estado redox onarr/narq metabolismo de nitrato y nitrito o NtrB/NtrC asimilación de nitrógeno en distintas bacterias o EnvZ/OmpR expresión de porinas en E. coli o CheA/CheY, CheB rotación del flagelo en E. coli o KinA, KinB/SpoOF, SpoOA esporulación en Bacillus subtitlis o Abs1/Abs2 producción de ATB en Streptomyces coelicolor o Quorum sensing o DesK/DesR adaptación de las membranas a T en B. subtilis

58 El sistema ArcA ArcB de Escherichia coli se activa por anoxia Piruvato formiato liasa

59 Regulación de la quinasa ArcB de Escherichia coli por la tensión de oxígeno

60 El sistema Fumarato nitrato reductasa (FNR) de Escherichia coli

61 Control de la expresión de genes en anaerobiosis por nitrato y nitrito

62 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 O 2 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- (O 2, SO 4 =, NO 3 -, Fe +++ ), el carbono será metabolizado por fermentación. La sustancia fermentada es el aceptor y dador de e-.

63 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 O 2. 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 (CO 2 se elimina).

64 Fosforilación a nivel de sustrato Compuestos de alta energía

65 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

66 Fermentación: Glucólisis etapas 1 y 2 Etapa 1: Reacciones preparatorias No son reacciones redox Necesitan energía. Rinde dos moléculas de gliceraldehído 3P Etapa 2: conservación de energía lisis Ocurren reacciones redox y producción de ATP Se forman 2 moléculas de piruvato

67 Etapa 3: fermentación. Ocurren reacciones redox Oxidación de NADH a NAD+. Producción de productos de fermentación. + CO 2 Se consideran productos de desecho en la regeneración de NAD+ en ausencia de O 2. 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.

68 Homofermentativo: producción única de ácido láctico a partir de la fermentación de glucosa. Heterofermentativo: producción de varios productos, como lactato, etanol, CO 2 a partir de la fermentación de la glucosa.

69 Fermentaciones bacterianas Fermentación láctica Homoláctica: lactato, H + Heteroláctica: lactato, etanol, CO 2, H + Fermentación ácido mixta: etanol, succinato, lactato, acetato, formiato, H 2, CO 2 Fermentación butanodiólica: butanodiol, etanol, H 2, CO 2, lactato Fermentación propiónica: propionato, acetato, CO 2 Fermentación homoacética: acetato, H +

70 Fermentación homoláctica Llevada a cabo por bacterias lácticas, anaerobias aerotolerantes Glucosa + 2ADP + 2Pi 2 lactato + 2 ATP

71 Fermentación heteroláctica Llevada a cabo por bacterias lácticas, anaerobias aerotolerantes Carecen de la enzima aldolasa

72 4 Vía de las pentosas 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 + CO 2 + ATP

73 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, CO 2 e H 2. 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.

74 Fermentación ácido-mixta Fosfoenolpiruvato carboxilasa Enzimas glicolíticas Piruvato quinasa lactato deshidrogenasa Malato deshidrogenasa Piruvato formiato liasa Formiatohidrógeno liasa fumarasa Fumarato reductasa Fosfotransacetilasa Acetato quinasa Acetaldehído deshidrogenasa Alcohol deshidrogenasa

75 Fermentación butanodiólica Es una alternativa a la fermentación ácido mixta Llevada a cabo por alguna bacterias entéricas, anaerobias facultativas (Serratia, Erwinia, Enterobacter y Klebsiella)

76 Fermentación butanodiólica Enzimas glicolíticas 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

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79 Productos a partir de microorganismos genéticamente modificados