Nutrición y metabolismo bacteriano.

Nutrición y metabolismo bacteriano.
Nutrientes bacterianos.
Por su utilidad: síntesis, energía, equilibrio osmótico.
Por su necesidad: obligados y facultativos.
Por su cantidad: macronutrientes (son necesarios en grandes cantidades) y micronutrientes (oligoelementos).
Las bacterias tienen que mantener su estructura organizada en un medio
que tiende al caos y adaptan el medio para crecer en tamaño y nº. Para ello
toman nutrientes del medio que, mediante rutas metabólicas, les proporcionan la energía necesaria.
La mayoría de las bacterias obtienen su energía por oxidación obtienen el C
de los nutrientes del entorno. Clasificación de los tipos de nutrición:
En función de la fuente de energía:
Fototrofia: se obtiene la energía de la luz (organismos fotosintéticos, ej: cianobacterias)
Quimiotrofia: se obtiene la energía por oxidación del C. Los organismos pueden ser:
-
Litotrofos: oxidan materia inorgánica.
Organotrofos: oxidan materia orgánica.
En función de la fuente de C:
Autotrofia: utilizar C inorgánico (CO2) para sintetizar materia orgánica. Serían las bacterias fotosintéticas.
Heterotrofia: sólo se puede utilizar C orgánico para sintetizar materia orgánica.
La mayoría de las bacterias son quimioorganotras. La oxidación desde el P.V.
químico consiste en una liberación de e-, que van hacia otra molécula denominada aceptor de e-. Según cual sea el aceptor la oxidación puede ser:
Aerobia: el aceptor es el O2.
Anaerobia: el aceptor es cualquier cosa que no sea O2.
El metabolismo.
El metabolismo es un conjunto de reacciones químicas espontáneas que
acontecen a una velocidad compatible con la vida. Estas reacciones por si
solas serían muy lentas (y por lo tanto incompatibles con la vida), para acelerarlas se utilizan enzimas, que son biocatalizadores. Estos enzimas pueden
ser:
Constitutivos: se sintetizan por la célula de forma constante.
Inducidos: se sintetizan o no según sean o no necesarios.
El metabolismo se divide en dos grandes ramas:
Reacciones de mantenimiento: conjunto de reacciones que tienen como
objetivo proporcionar energía a la célula. Sería el catabolismo.
Reacciones de crecimiento: sería el anabolismo. Está formado por:
Reacciones biosintéticas.
Reacciones de polimerización. (proteínas, lípidos, ác. Nucleicos…)
Reacciones de ensamblaje. Las moléculas se unen entre sí para dar
las estructuras celulares.
Transporte de nutrientes.
Sin consumo de energía (transporte pasivo). Para no consumir energía
sólo se transporta a favor de gradiente (de más concentrado a menos
concentrado).
Por difusión simple: las moléculas atraviesan directamente la membrana (O2, CO2, glicerol, H2O). No es un transporte saturable, por lo
que la velocidad de transporte es directamente proporcional a la diferencia de concentración.
Por difusión facilitada: mediante permeasas, que permiten el paso a
través de la membrana de sustancias que no serían capaces de atravesarla por sí solas (ej: para el H2O--- acuaporinas). Requiere transportadores, por lo que es saturable.
Con consumo de energía (transporte activo). Son capaces de generar un
gradiente de concentración (van en contra de gradiente).
Primario: directamente asociado a una ATPasa.
Secundario: asociado a un gradiente de H+ (fuerza protomotriz), ya
que al deshacerse el gradiente se libera energía.
Transporte por translocación de grupos: es un transporte fundamentalmente de azúcar. Transforma las sustancias de tal manera
que en el propio transporte transforma la sustancia en otra que sea
impermeable y no pueda salir de la célula. En realidad no se llega a
generar un gradiente porque lo que entra es una sustancia distinta y
no puede salir.
Transporte por translocación de grupo
(Sistema de las fosfotransferasas)
El fosfoenolpiruvato (PEP) fosforila al enzima 1, que a su vez para el gupo
fosfato a una proteína rica en histidina y esta fosforila el enzima 2. El enzima 2 fosforilado activa a una permeasa específica para un azúcar, que
puede ser para el paso de manitol, glucosa o manosa.
Ej.: la glucosa se une al receptor y, entonces, ya se le puede unir el enzima 2
fosforilado, que pierde el grupo fosfato y se libera energía, que posibilita el
paso de glucosa al interior de la célula. El fosfato liberado se une a la glucosa mientras esta está entrando en la célula (no cuando ya está dentro, lo que
entra el glucosa-P). De esta forma lo que hay en el interior de la célula no es
glucosa, sino glucosa-P.
Es un mecanismo relativamente lento pero funciona incondiciones de baja
energía, ya que se forman azúcares-P, que son los que intervienen en las
reacciones del metabolismo.
El enzima 2 también tiene otro efecto: cuando está fosforilado activa a la
adenilato ciclasa, por lo que aumenta la concentración de AMPc intracelular.
Los mecanismos vistos hasta ahora permiten el paso de sustancias más o
menos pequeñas. Para que puedan pasar moléculas más grandes éstas se tienen que romper en moléculas más sencillas mediante exoenzimas para que
puedan ser transportadas.
Estos mecanismos en las bacterias gram (+) se centran en la m.p., donde se
forman poros a través de los cuales pasan las sustancias. En las gram (-) el
transporte se produce también en la membrana externa, donde también es
fundamentalmente a través de poros (porinas), que forman canales iónicos
de unos 600 Da.
En las gram (-) el transporte activo se produce a través del enlace de las
permeasas de la m.p. y la membrana externa. Esta unión se produce en el
espacio periplásmico, donde hay gran cantidad de proteínas que unen sustancias que han atravesado el poro de la membrana externa y las llevan a
permeasas de la m.p.
Metabolismo heterótofo quimioorganotrofo.
La gran mayoría de las bacterias de interés sanitario son quimiorganotrofas
heterótrofas y el metabolito fundamental es la glucosa.
Rutas oxidativas (reacciones de mantenimiento para la obtención de
energía).
Embdern- Meyerhoff (glucolisis).
2 Glucosa + 2ADP + 2NAD + 2Pi → 2 Pirúvico + 2ATP + 3NADH + 2H+ + 2H2O
Cuando la materia se oxida los e-, hasta que llegan al aceptor, se acumulan
en la célula de forma temporal en los nicotín nucleótidos: NAD y NADP. Los
dos son intercambiables de forma general, pero la mayoría de los que se almacenan en NAD son para la obtención de ATP y la mayoría de los que se
almacenan en NADP son para la obtención de biomasa.
Existe una modificación de esta ruta que es la de Embdern- Doudoroff:
Glucosa + ADP + 2NAD + Pi → 2Pirúvico + ATP + 2NADH + 2H+ + H2O
Quien sigue E. Meyerhoff o sigue E. Douduroff y viceversa. Ambas están
orientadas hacia la obtención de energía.
Rutas oxidativas de la glucosa
GLucosa
Glucosa+2ADP+2NAD++2Pi
ATP
NAD+
ADP
G6P
NADH+H+
2Pirúvico+2ATP+2NADH+2H++2H20
Embdern-Meyerhoff
6PG
Entner-Doudoroff
KDGP6P
F6P
Glucosa+ADP+2NAD++Pi
2Pirúvico+ATP+2NADH+2H++H20
ATP
ADP
Pirúvico
F16dP
ATP
ADP
DHAP
GA3P
NAD+
13dPG
NADH+H+
3PG
ADP
2PG
ATP
PEP
H2O
Pi
Ruta de las pentosas.
Glucosa + 12NADP + 6H2O → 6CO2 + 12NADPH + 12H+
Lo que se obtiene es NADPH, por lo que esta ruta está orientada hacia la
reducción de sustancias oxidadas en las reacciones biosintéticas. Esta vía
permite la obtención de azúcares de 4, 5, 6 y 7 át.C.
Rutas oxidativas de la glucosa
6GLucosa
Pentosas
6ATP
6ADP+6Pi
6(G6P)
6(NADP+)
6H2O
Glucosa+12NADP+6H20
6CO2+12NADPH+12H+
6(NADPH+H+)
6(6PG)
5(G6P)
6(NADP+)
6(NADPH+H+)
6(CO2)
6(Rb5P)
2(R5P)
2(X5P)
2(X5P)
2(SH7P)
2(GA3P)
2(F6P)
2(E4P)
F6P
2(F6P)
2(GA3P)
Las bacterias podrían vivir eternamente consumiendo glucosa por la vía de
Meyerhoff si no fuera porque se quedarían sin NAD o explotarían por la
acumulación de NADH, por eso las bacterias necesitan un mecanismo para
recuperar el NAD (volver a oxidar el NADH + H+ en NAD). Si tiene que volver a oxidarse, tiene que devolver los e- que captó. Para ello hay dos posibilidades:
La célula utiliza alguna molécula externa al metabolismo general como aceptor. Lo más típico: el O2
Que existan moléculas externas al metabolismo general (nitritos,
azufre…) que también puedan aceptar los e- aunque no sea O2.
Cuando existen moléculas que captan los e- hablamos de respiración. Si la
molécula es O2 hablamos de respiración aerobia y si no es O2, anaerobia.
GLUCOSA
Glucolisis
NAD+
NADH+H
PIRÚVICO
Acetaldehido
Láctico
Etanol
Fermentación
NADH+H
NAD
Acetoína
OAA
Fórmico
Butanodiol
Succínico
H2+CO2
Propiónico
AcCoa
Acetoacetato
Acético
Butírico
Butanol
Hay bacterias que no tienen moléculas externas para donar los e-. La solución es hacer reacciones red-ox entre un át.C de la glucosa y otro át.C de
la glucosa (de un át a otro de la molécula que se está oxidando. Es lo que se
conoce como fermentación, y es siempre anaerobia. En las rutas de fermentación la glucosa genera pirúvico y NAD(P)H + H+. Este pirúvico puede
oxidarse y el NADH + H+ cede sus e- al pirúvico y se regenera el NAD.
Hay muchas reacciones de recuperación de NAD, que es una característica
importante en la taxonomía de las bacterias y muy importante a nivel sanitario. Ej.: la producción de ác. Láctico es un mecanismo patogénico generador de infección.
Como tiene que oxidar un átomo y reducir otro, no puede llegar a oxidar todos sus átomos, por lo que no hay síntesis neta de NADH y ATP a partir del
pirúvico.
Ciclo de Krebs.
Las bacterias que utilizan aceptor de e- pueden oxidar lo 6 át.C de la glucosa
a CO2. Las bacterias respiratorias utilizan el ciclo de Krebs. Por cada molécula de pirúvico que entra en le ciclo de Krebs se obtienen:
3CO2 , 4 NADH + H+, 2FADH2, 2GTP.
CICLO DE KREBS
NAD+
NADH/H+
Pirúvico
CoA
AcCoA
CO2
NADH/H+
OAA
Cítrico
CoA
Isocítrico
NAD+
NAD+
Málico
CO2
+
Pirúvico+4NAD +FAD+GDP+Pi
NADH/H+
Cetoglutárico
3CO2+4NADH+4H++FADH2+GTP
CoA
NAD+
H2 O
CO2
Fumárico
Succinil-CoA
Succínico
FADH2
FAD
NADH/H+
GDP
GTP
Pi
CoA
En caso de que la bacteria obtuviera el pirúvico por la vía de Meyerhoff,
para saber el total obtenido por una molécula de glucosa, habría que multiplicar todo esto por dos, ya que se obtienen 2 moléculas de pirúvico, y habría que sumarle 2NADH + H+ que se obtuvieron en la oxidación de la glucosa.
Fosforilación oxidativa o transporte de e-.
El problema es que aún tengo más NADH + H+ acumulado (10 por molécula de
glucosa), por lo que para recuperar NAD se utiliza la fosforilación oxidativa
o transporte de e-. En la m.p. existe un conjunto de proteínas que actúan
como transportadores de e- por lo que el NADH + H+ se une al 1º transportador en forma oxidada y le cede sus e-, de forma que lo reduce. Este paso
de e- está asociado a la salida de un H+, por lo que salen al exterior celular
2H+. El transportador-1 reduce al transportador-2 y así sucesivamente hasta llegar al transportador-n, que cede sus e- a ½ O2 (en caso de que sea respiración aerobia) y se forma H2O, que se expulsa al exterior celular.
Sin embargo la obtención de agua nos es directa. Utiliza como intermediario
en ión superóxido y se obtiene H2O2, sobre la que actúa una catalasa (o peroxidasa) y se transforma en H2O. Que el agua oxigenada y el ión superóxido
sean intermediarios obliga a las bacterias a tener mecanismos de protección: la superóxido dismutasa y la catalasa o peroxidasa.
TRANSPORTE ELECTRONICO Y GRADIENTE DE H +
INTERIOR CELULAR
NADH/H+
FADH 2
NAD+
2H
+
1/2
O2 +
2H
+
FAD+
T1 ox
T1 red
2H
+
T2 red
Tn ox
T2 ox
Tn red
2H
+
HO
2
EXTERIOR CELULAR
Hay otro acumulador temporal de e-: FAD, aunque este tiene un potencial de
oxidación menor, por lo que el que capta los e- tiene que tener una gran afinidad por estos. Como el NADH tienen un potencial de oxidación mayor, tiene poca afinidad por los e- y los cede con más facilidad que el FAD.
1NADH + H+ bombea 3 pares de H+
1FADH2 bombea 2 pares de H+
En el caso de la respiración anaerobia el aceptor se encuentra más a la izq.
del O2, por lo que se genera sólo dos pares de H+ en el caso del NADH y un
par en el caso del FADH2.
Cuando los H+ vuelven a entrar al interior celular para equilibrar el gradiente lo hacen mediante el complejo proteico ATP fosforilasa, que genera 1ATP
por cada para de e- (H+) que reentra en la célula.
EXAMEN: ¿Cuántos ATPs genera una molécula de glucosa por respiración
aerobia?
 - oxidación de ác. Grasos.
Se oxida el C  con producción de NADH + H+ y liberación de acetil-CoA.
Los ác. Grasos van perdiendo pares de át. C del extremo acilo, liberados en
forma de acetil-CoA (en vez de pirúvico) con producción de NADH y FADH 2
por cada par.
BETA-OXIDACION DE ACIDOS GRASOS
H 3C-(CH2)n -CH2 -CH2 -COOH
CoA
O
H3C-(CH2 )n-2-CH 2-CH 2-C-CoA
=
=
O
H 3C-(CH2)n -CH2 -CH2 -C-CoA
FAD +
FADH2
Ac-CoA
H3C-(CH2 ) n-CH =CH -C-CoA
H2O
H C-(CH2 )n-CHOH-CH -C-CoA
3
NAD+
NADH + H +
CoA
O
=
=
O
H C-(CH ) -C-CH -C-CoA
3
2 n
2
Ciclo del glioxilato.
El ciclo de Krebs permite tanto la obtención de energía como de biomasa.
Las bacterias utilizan un sistema que permite la entrada de Ac-CoA en el
ciclo de Krebs para la obtención de de sustancias: el ciclo del glioxilato, que
es como un atajo del ciclo de Krebs. Permite la entrada de át.C al ciclo de
Krebs en forma de Ac-CoA.
CICLO DEL GLIOXILATO
AcCoA
OAA
Cítrico
Isocítrico
Málico
AcCoA
Glioxilato
Cetoglutárico
Fumárico
Succinil-CoA
Succínico
Metabolitos intermediarios.
METABOLITOS INTERMEDIARIOS
GLUCOLISIS
PENTOSAS
CICLO DE KREBS
G6P
F6P
DHAP
R5P
AcCoA
3PG
PEP
PYR
E4P
Alfa-Cetoglutárico
Succinil-CoA
OAA
Ciclo de Krebs dividido.
¿Qué sucede con las bacterias fermentadoras, que no pueden introducir el
pirúvico en le ciclo de Krebs? Utilizan el ciclo de Krebs dividido:
CICLO DE KREBS DIVIDIDO
CO2+ATP
Rama reductora
Pirúvico
NAD+
CoA
NADH/H+
ADP
NADH/H+
CO2
OAA
Rama oxidativa
Cítrico
Isocítrico
NAD+
NAD+
Málico
3 Pirúvico
CO2
NADH/H+
Cetoglutárico
-cetoglutarato+Succinato
2
Fumárico
Succínico
FADH2
FAD
Pirúvico → cetoglutarato (oxidación)
Pirúvico → succinico (reducción)
La oxidación neta es cero, pero se producen igualmente los principales metabolitos.
Reacciones de crecimiento. Rutas biosintéticas:
Gluconeogénesis.
GLUCONEOGENESIS
CO2
CO2
Pirúvico
OAA
ATP
ADP
PEP
ATP
Glucolisis
Inversa
G6P
ADP
PIRUVICO
G6P
PEP
La G6P por la ruta glucolítica se transforma en PEP, que da lugar a pirúvico.
La glucogenogénesis sería al revés, pero hay un paso que no es reversible: el
paso de piruvato a PEP, ya que la energía que se libera en la rotura del ATP
no es suficiente. Para solucionarlo se hace un rodeo mediante la incorporación de CO2 para obtener ác. Oxalacético (con consumo de un ATP) y este
ác. Oxalacético se oxida para la formación de PEP?????
Síntesis de ác. Grasos.
Es como la β-oxidación pero al revés: el crecimiento de la cadena carbonada
se hace por pares, que se incorporan en forma de acetil-CoA.
Síntesis de aas.
¿Cómo incorporan los grupos amino?
Por α- transaminación: un aa cede su grupo amino a un α-cetoácido de tal
manera que se intercambian los grupos amino y cetónico.
Ej:
SINTESIS DE AMINOACIDOS
O
HOOC-CH-CH
-C-C-OH
2
2
Glutámico
NH
=
=
=
O
HOOC-CH2-CH2-CH -C-OH
O
Alfa-transaminación
2
+
-Cetoglutárico
+
O
HOOC-CH -CH-C-OH
=
=
O
HOOC-CH2-C-C-OH
=
2
OAA
O
Aspártico
NH
2
Desaminación oxidativa
NADP+H2O
NADPH+NH3
=
O
HOOC-CH-CH -C-C-OH
2
2
O
-Cetoglutárico
=
=
O
HOOC-CH 2-CH2-CH -C-OH
Glutámico
NH2
NADP+H2O
NADPH+NH3
Aminación reductora
El problema es que así la síntesis neta de aa es cero. Para ello hay otra
reacción: la aminación reductora: un α-cetoácido (normalmente αcetoglutárico o OAA) se reduce con cesión de e- por parte del transportador temporal NADP, y esta reducción incorpora un grupo amino y pierde una
molécula de agua, transformándose en el ácido correspondiente.
Cuando la concentración de amonio es baja se hace un rodeo para aprovecharlo.
Esquema
Un α-cetoglutárico con un ión amonio da un glutamato.
Desaminación oxidativa.
Es más bien una ruta de mantenimiento. Es la inversa de la aminación reductora: un ác. Glutámico pierde el grupo NH2 y se genera NADPH +H+ y el αcetoácido correspondiente. Funciona sobre todo con glutámico, OAA y aspártico.
La desaminación permite la entrada de los aa en el ciclo de Krebs para la
obtención de energía, lo cual permite que las bacterias puedan vivir con aa
como fuente de energía sin necesidad de azúcar.
Síntesis de ncleótidos.
Síntesis de nucleótidos
Púricos
Glutamina
R5P + ATP
5PRibosilamina
5PRPP
=
O
Gly + ATP
NH
N
Glutamato
N10formilTHF
N
Gln + ATP
CO2 + (Asp + ATP) + N10formil THF
O
HOH2C
IMP
THF
Glu + ADP+PI+H2O
5aminoimidazolRibonucleótido
H H
OH
Pi +ADP
OH
(ADP + Pi + Fumarato + THF + H2O
Las bases púricas se cierran sobre un anillo de ribosa preformado al que se
le unen grupos carbonados.
Para las bases pirimidínicas: se ribosila una pirimidina ya preformada.
*
La mutilación de ambas bases utiliza como transportador del grupo metilo el
Fe y el ác. Fólico.
Polimerización de azúcares.
Los azúcares polimerizan formando enlaces glucosídicos entre grupos alcohólicos que son (1,6) y (1,4,), según la situación del grupo OH. Pueden ser α
o β según los azúcares estén del mismo lado o invertidos. La energía naecesaria para el enlace glucosídico está dada por la rotura de los UDP. Los propios monómeros tienen la energía necesaria porque muchas veces se forman
los polímeros en el exterior celular.
Esquema.
Polimerización para dar ác. Nucleicos.
Polimerización de desoxinucleótidos: ADN (replicación)
Polimerización de ribonucleótidos: ARN (transcripción)
Tiene que seguir la secuencia de nucleótidos preformada almacenada en el
ADN
ADN
Replicación
Retrotranscripción
Transcripción
ARN
Traducción
Proteínas
?
La retrotranscripción la realizan los retrovirus, el virus de la hepatitis B y
también lo utilizan las células eucariotas.
Cuando la información fluye de proteínas a proteínas: priones
Transcripción.
El molde para la síntesis de ARN es una cadena de ARN y el enzima encargado en una ARN polimerasa. Para que el enzima se pueda unir al ADN este
tiene que estar desenrollado. Para que se abra el ADN son necesarias proteínas que eliminen el superenrollamiento, lo giren y lo estabilicen: topoisomerasas, girasas y proteínas estabilizadoras. Después se une la ARNp al
promotor de la transcripción del ADN.
Una vez unido, el enzima empieza a captar nucleótidos y unirlos al extremo
3’, los empareja con la base del ADN que tiene delante y así hasta llegar a
una señal de finalización de la transcripción, que se corresponde con secuencias de ADN donde es complementario y forma un enlace sobre si mismo.
*
Replicación.
Las cadenas sólo pueden actuar de molde para la síntesis de una cadena nueva si están abiertas, por lo que son necesarias topoisomerasas, girasas y
proteínas estabilizadoras, que forman una horquilla en la que las cadenas de
ADN están separadas. Las cadenas son antiparalelas, por lo que cuando se
empieza a replicar:
Dibujo
La burbuja se va desplazando y hay una cadena líder que sigue el desplazamiento de la horquilla y otra cadena retardada que se forma en sentido contrario. Esta última cadena se va formando a fragmentos denominados fragmentos de Okazaki. Como la replicación del ADN es bidireccional todo el
ADN tiene fragmentos de Okazaki.
La cadena líder no tiene problema, da toda la vuelta al cromosoma (el ADN
es una molécula circular), llega a donde empezó y cierra. Sin embargo en la
cadena retardada hay que unir todos los fragmentos de Okazaki y la ADNp
no puede unir un desoxinucleótido a otro para formar un didesoxinucleótido,
lo que sí puede hacer es unir a una cadena de 12-15 nucleótidos un desoxinucleótido, por eso por cada fragmento de Okazaki una ARNp forma una cadena y luego la ADNp sigue uniendo desoxinucleótidos. Como la ADNp no puede
unir el ADN a la cadena de ARN siguiente, tiene que actuar un enzima extra:
la exoribonucleasa 5’ 3’, que cuando llega al extremo 5’ del ARN, rompe la
cadena de ribonucleótidos y une el desoxiribonucleótido. Por último una
ADN ligasa cierra la cadena.
La replicación del ADN es uno de los mecanismos biológicos más fiables. La
fiabilidad se basa en:
1. La propia complementariedad estructural de las bases.
2. La ADNp tiene cierta especificidad de unión para escoger el nucleótido complementario (comete un error cada 106 veces)
3. La ADNp tiene una 3ªactividad: exonucleasa 3’ 5’, que corrige los
errores que pudiera cometer. Esto hace que la ADNp vaya más lenta.
Escinde el nucleótido que acaba de unir, lo elimina y vuelve a intentarlo. Esto hace que la probabilidad de error sea de uno cada1000·106 de
veces.
Síntesis de proteínas: traducción.
1. Activación: un ARNt se une a un aa con consumo de ATP y se forma
aminoacilARNt.
2. Iniciación: la subunidad 30s del ribosoma se une a la cadena de ARNm
naciente. Cada 3 pares de bases se traduce en un aa. Hay codones de
terminación que no codifican para ningún aa (UAA, UAG y UGA) y de
iniciación (AUG), que siempre va a dar formilmetionina, por lo que todas las proteínas sintetizadas por bacterias van a empezar por formilmetionina (en eucariotas es la metionina). La presencia de formalpéptidos es indicativo de procariotas, por lo que si encontramos formilpéptidos quiere decir que hay infección. La formal-met. se une al sitio
p del ribosoma una vez unido a la subunidad 50s.
3. Elongación.
4. Translocación.
Traducción
(Activación e iniciación)
ATP
ACTIVACIÓN
ACTIVACIÓN
ADP
ARNt + Aa
Aa-ARNt
P
INICIACIÓN
INICIACIÓN
fMet-ARNt
30S
fMet
fMet
GDP + IFs
A
ARNm
30S+IFs
IF3
30S
GTP + IF1,2
50S
Traducción
(Elongación y translocación)
P
P
P
A
Aa1-ARNt
fMet
fMet
A
A
fMet
fMet Aa1
Aa1
ELONGACIÓN
ELONGACIÓN
GDP + EF
GTP + EF
30S
P
30S+EF-GTP
30S
P
A
A
P
A
GTP-EF
TRASLOCACIÓN
TRASLOCACIÓN
fMet
fMet
Aa1
Aa1
fMet
Aa1
GDP + EF
30S
30S
30S
Formación de la pared bacteriana.
Se inicia en el citosol a partir de la fructosa-6-P, que reacciona con el UDP y
forma UDP-NAM, que reacciona con el ác. PEP. El PEP es el sustrato con el
enlace más energético que hay en la célula, más incluso que el ATP. A continuación se unen 5aa (3aa y 2D-Ala) que formarán el tetrapéptido. Se sintetiza entonces el UDP-NAM-pp (pp= pentapéptido), que se acerca a la cara
interna de la m.p. e interacciona con el fosfato bactroprenol, que solubiliza
los azúcares para que puedan atravesar la membrana. En el proceso se libera
1 UDP y se forma el NAMpp-PP-bactroprenol (PP= pirofosfato). Este en la
cara interna de la m.p. se une a una UDP-NAG y se forma una unidad de mureína: NAG-NAMpp unido por PP al bactroprenol.
En las gram (+) se une un n-acilARNt (se unen aa). Durante esta reacción el
bactroprenol pasa la mureína de la cara interna de la m.p. a la cara externa.
En realidad toda la pared bacteriana es una única molécula de mureína. Son
segmentos más o menos largos de NAM unidos por puentes cruzados entre
los tetrapéptidos.
Para poder crecer la bacteria la pared se tiene que romper, pero para evitar
la lisis osmótica no se abre de golpe, sino que se va cortando periódicamente
por determinados puntos mediante autolisinas, en ese punto se añade el
NAM recién formado y se vuelve a formar el enlace.
El PP-bactroprenol queda en la m.p. La fosfatasa libera el Pi y se recupera el
bactroprenol para que se pueda iniciar el ciclo y añadir otra unidad de mureína.
(UNDP: undecaprenol= bactroprenol)
Ahora se tienen que formar los puentes cruzados mediante traspeptidación.
La rutura del enlace D-Ala del pentapéptido con liberación de un D-Ala permite el enlace del D-Ala que queda unido al grupo NH2 del otro tetrapéptido. La energía necesaria para formar el enlace fuera de la membrana está
incluida en la propia molécula que sale de la célula, porque el ATP no puede
salir de la célula. (El enlace D-D tiene mayor energía que el enlace D-L)
Regulación del metabolismo.
Hay rutas que son anfibólicas, es decir, sirven tanto para el catabolismo
como para el anabolismo. Ej: ciclo de Krebs.
Glucosa
Pirúvico
Ac. Grasos
AcCoA
Aminoacidos
OAA
Cítrico
Isocítrico
Aminoacidos
Málico
Cetoglutárico
Fumárico
Succinil-CoA
Succínico
Porfirinas
Las bacterias se alimentan de nutrientes simples que vienen del exterior y
que atraviesan directamente la membrana y también de moléculas más complejas que por sí solas no son capaces de atravesar la membrana porque son
muy grandes y son necesarias exoenzimas, que rompen las rompen en otras
más pequeñas y así pueden atravesar la membrana mediante un mecanismo
de transporte para participar en las reacciones de mantenimiento y generar
energía (ATP), poder reductor (NADH) y los 12 anabolitos intermediarios,
que inician las reacciones de crecimiento para originar azúcares, ác. Grasos,
aa y nucleótidos. Estos por polimerización formarán polisacáridos, mureína,
lípidos, proteínas y ác. Nucleicos, que se ensamblarán entre ellos para formar la pared bacteriana, etc.
El metabolismo tiene que estar muy bien regulado para sacar el máximo partido de los nutrientes. La regulación es enzimática. Hay dos tipos de enzimas: constitutivas e inducidas, y ambas son necesarias
Modificación de la actividad de enzimas constitutivas.
Alosterismo (al unirse a un cofactor aumenta o disminuye su actividad)
-
Inducción (lactato deshidrogenada, piruvato quinasa)
Represión (biosíntesis de sustancias)
Una proteína alostérica es aquella que puede tener conformaciones espaciales alternativas según esté unida o no a algo.
El alosterismo puede aumentar o disminuir la actividad enzimática. Ej: si hay
poca actividad glucolítica no funciona la lactato deshidrogenesa y funcionan
otras rutas: fermentación.
Modificación enzimática por fosforilación
Regulación de la transcripción (operones). Los operones son estructuras del genoma que funcionan por proteínas que son capaces de
unir ciertas zonas del ADN para regular su transcripción (inducirla o
reprimirla).
Proteínas que unen ADN (inductoras y represoras).
Interferencias de la traducción en la transcripción (atenuación). En
eucariotas esto no pasa porque ocurren en lugares diferentes pero
en procariotas no hay membrana nuclear, por lo que un ARN que se
está transcribiendo puede empezar a ser traducido.
Alteraciones en la síntesis proteica: modificación de la afinidad por
proteínas ribosómicas.
Modificación en la propia estructura del ADN: variaciones de fase
que regulan la síntesis de dos posibles alternativas de flagelina, por
ejemplo.
Regulación enzimática.
REGULACIÓN ENZIMÁTICA
Retroinhibición por producto final
A
B
A
C
B
D
P1
E
P2
C
Retroinhibición simple
Retroinhibición secuencial
E1
B
A
E2
D
P1
E
P2
C
Enzimas isofuncionales
A
B
D
P1
E
P2
C
Retroinhibición concertada
Retroinhibición secuencial. Cuando se acumula P1 no puede parar la producción de C porque este sigue haciendo falta para P2. P1 lo que hace es inhibir
el primer enzima de su ruta. Si se acumula P1 y P2 se acumularía también C y
este inhibiría la transformación de A en B. Este mecanismo es poco eficaz,
por lo que hay sistemas más eficaces:
Retoinhibición concertada. P1 bloquea el primer enzima específico de su
ruta y P2 la suya, pero si se acumulan los dos, la unión de P1 y P2 inhibe ya el
enzima de A sin que tenga que acumularse C.
Enzimas isofuncionales. Genéticamente es más caro porque necesita más
enzimas. El paso de A a B está regulados por dos enzimas E1 y E2. La afinidad de ambos enzimas no es la misma, el 80% de A  B está catalizado por
E1 y el 20% por E2. El mecanismo funciona como dos retroinhibiciones secuenciales: se acumula P1 y se inhibe sólo el 80% del paso de A  B y el
otro 20% se sigue generando para formar P2.
Operones.
Es el mecanismo fundamental de regulación de los enzimas inducibles. Sólo
existe en procariotas porque el ADN procariota es policistrónico.
Un operón es un conjunto de genes funcionalmente relacionados que se
transcriben en un mismo ARN.
El operador (O) se encuentra entre la región promotora y la primera secuencia codificada y es una secuencia de ác. Nucleico que es reconocida específicamente por una proteína reguladora.
Dibujo
El ARN no tiene operón.
Funcionamiento por inducción y por represión.
OPERONES
P
O
E1
E2
E3
E4
E5
P. reguladora
P. reguladora
+
Correpresor
P. reguladora
P. reguladora
+
Inductor
Operón por represión. La secuencia en ausencia de la molécula reguladora
tiene el operador vacío, por lo que la ARNp se une al promotor, pasa por
encima del operador y pasa a transcribir las secuencias codificantes, con
lo que el enzima se está produciendo. Cuando a la proteína reguladora se
le une el correpresor, sufre un cambio conformacional y se abre un punto
de unión al operador. La proteína reguladora en estado nativo no es capaz
de unirse al operador, es necesario que se una un correpresor para cambiar su estructura tridimensional (es una proteína alostérica).
Operón por inducción. La proteína reguladora en estado normal está unida al operador e inhibe la transcripción. Si a la proteína se une una molécula inductora, la proteína cambia su estructura tridimensional y deja libre el operador, empezando la transcripción.
Operón lactosa
Atenuación.
Es un mecanismo de modificación de la transcripción que sólo puede operar
en procariotas y sólo puede funcionar en operones que regulan la biosíntesis
de aa. Cuando hay aa no interesa su síntesis y no se transcribe.
Independientemente que exista una regulación por atenuación, a la vez puede existir una regulación por operador.
Atenuación
COMPLETAR POR FOTOCOPIAS (al final del tema)
Regulación de la síntesis de proteínas ribosómicas.
Se basa en que existe una proteína represora capaz de unir ác. Nucleico, en
este caso ARN en vez de ADN. Esa proteína represora es capaz de unirse
tanto al ARNr como al ARNm de las proteínas ribosómicas. De qué depende?
De la abundancia relativa de esos dos ARN.
Si aumentan los niveles de ARNr libre a la célula, le hacen falta proteínas
ribosómicas para ensamblar ribosomas. Como hay mucho ARNr, la proteína
represora se une al ARNr. Qué está libre? ARNm, que es el que se transcribe y permite la síntesis de proteínas ribosómicas que se unen el ARNr. entonces, la concentración de ARNr libre empieza a bajar y aumenta la de
ARNm, por lo que el represor se une al ARNm y no hay síntesis de proteínas
ribosómicas.
Regulación genética por variación de fase.
La variación de fase consiste en alteraciones estructurales pero reversibles
del ác. Nucleico.
Ejemplo:
Existen dos tipos de flagelina: H1 y H2, codificadas en zonas distintas del
cromosoma. Un operón contiene dos genes: un gen de la H2 y un gen represor. Este operón tiene un promotor pero que está puesto del revés, por lo
que no es reconocido por la ARNp y no se transcriben ni el gen de H2 ni el
represor. El gen que se transcribe es el de la flagelina 1.
Cada 1000 divisiones este promotor se invierte y se coloca en el sentido correcto, por lo que se transcribe el gen de la flagelina 2 y también el gen represor, que inhibe la síntesis de flagelina 1 y así domina la flagelina 2.
Otra vez al las 1000 divisiones se vuelve a invertir el promotor porque tiene en sus dos extremos regiones repetidas. Complementarias.
Niveles de regulación del metabolismo bacteriano
ALTERACION ADN
INVERSION DE FASE
REGULACION TRANSCRIPCION
ADN
OPERONES
ALTERACIONES DE LA TRADUCCIÓN
ARNm
AFINIDAD Ribosoma-ARNm
Proteína
(enzima)
INHIBICION ENZIMATICA
ALOSTERISMO
ALT. ENZIMATICA
Producto final
Redes globales de regulación (regulones).
Regulones: sistema de regulación que regula varios operones a la vez.
Proteínas activadoras de promotores. Mecanismo de unión proteínaADN que funciona justo al revés que en los operones: se une al promotor o cerca y lo activa. Ej: proteína activada por CAP.
Reemplazar el factor  de la ARNp, que es el que reconoce el promotor. Si la bacteria tiene varios factores  alternativos, puede tener varias estructuras de promotor distintas. Cuando la célula produce, por ej, factor  de tipo 1, los promotores activados son de tipo 1. Ej: cuando la célula recibe señales externas de que es necesario esporular, la célula estimula la transcripción de un tipo de factor
 y los promotores de ese factor  se activan y empieza todo el
proceso.
Formación de factores de restricción o 2º mensajeros (AMPc). Ej:
factor de restricción en ausencia de aa.
Transducción de señales. La fosforilación de PK puede influir en varias proteínas que actúan en rutas distintas pero relacionadas entre
sí.
Represión por catabolito.
Bacterias capaces de utilizar otro azúcar distinto a la glucosa, que tienen un
operón lactosa y le ponemos en un medio lactosa y glucosa, la bacteria utiliza glucosa y no expresa los genes de los enzimas necesarios para la metabolización de la lactosa.
Existe una proteína activada por catabolito que cuando se une a AMPc se
activa, se une al promotor y empieza la transcripción.
El enzima 2 encargado de al translocación de grupos, cuando no hay glucosa
está más tiempo fosforilada, por lo que aumenta el AMPc y mucho AMPc es
indicativo de pocos nutrientes.
La bacteria si tiene glucosa bloquea todos los sistemas de metabolismo de
nutrientes alternativos y si no hay glucosa, los activa.
Regulón por CAP
ARNpol no se une
ARNm
Glucosa en el medio
Translocación de grupo
P O E1 E2 E3 E4 E5
SIN
Lactosa
EII NO fosforilada
Represor activo
ARNpol no se une
ARNm
CON
P O E1 E2 E3 E4 E5
Lactosa
Represor inactivo
Bajo AMPc
ARNpol no se une
ARNm
P O E1 E2 E3 E4 E5
SIN
Maltosa
Represor activo
PAC inactiva
ARNpol no se une
CON
ARNm
P O E1 E2 E3 E4 E5
Maltosa
Represor inactivo
Regulón por CAP
Sin Glucosa en el medio
ARNpol no se une
No Translocación de grupo
SIN
EII SI fosforilada
Lactosa
P O E1 E2 E3 E4 E5
ARNm
Operón lactosa
Represor activo
ARNpol se une
CON
ALto AMPc
P O E1 E2 E3 E4 E5
ARNm
Operón lactosa
Lactosa
Represor inactivo
ARNpol no se une
SIN
PAC inactiva
P O E1 E2 E3 E4 E5
Operón maltosa
Maltosa
ARNm
Represor activo
PAC activa
ARNpol se une
CON
Maltosa
P O E1 E2 E3 E4 E5
Operón maltosa
ARNm
Represor inactivo