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