Temes 14-18: Diversitat metabòlica 4 (MB) (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Microbiología - 1º curso
Asignatura Microbiologia
Año del apunte 2016
Páginas 7
Fecha de subida 22/04/2016
Descargas 53
Subido por

Vista previa del texto

DIVERSITAT  METABÒLICA  (T.  14-­18)  IV   2.5  Obtenció  d’energia  per  respiració   Ens   referim   a   dos   grups   grans:   quimioorganòtrofs   i   quimiolitòtrofs.   Per   tant,   el   donador  d’electrons  pot  ser:  NADH  (si  s’utilitza  un  compost  orgànic)  o  bé  pot  ser   un  compost  inorgànic  (H2,  H2S...).     Poden   utilitzar   en   conjunt   molts   acceptors   externs   d’electrons:   poden   utilitzar   compostos  orgànics  (fumarats  molècules  lineals  o  benzè  molècules  cícliques)  o   compostos  inorgànics  (oxigen).  Si  utilitzen  l’oxigen  estarem  parlant  de  respiració   aeròbica   i   si   utilitzen   altres   acceptors   d’electrons   diferents   al   O2   parlarem   de   respiració  anaeròbica.     Els  microorganismes  que  realitzen  la  respiració  poden  ser:   -­Aerobis  estrictes:  només  poden  utilitzar  l’oxigen.  Fan  la  respiració  aeròbica.     -­Anaerobis   facultatius:   poden   utilitzar   o   no   l’oxigen.   Poden   fer   la   respiració   aeròbica  o  anaeròbica.  (EX:  E.  Coli).   -­Anaerobis  estrictes:  mai  utilitzen  oxigen.  Fan  la  respiració  anaeròbica.     Segons   com   siguin   els   microorganismes   tindran   diversos   enzims   per   a   la   detoxificació   de   productes  reactius  de  l’oxigen  (peroxidasa,  SOD,   catalasa...)   si   toleren   l’oxigen.   En   canvi   si   els   hi   és   tòxic   l’oxigen   serà   perquè   els   hi   manquen   aquests  enzims.         Els  bacteris  que  realitzen  la  respiració  anaeròbica   utilitzen   sistemes   de   transport   amb   citocroms,   quinones,  ferrosulfoproteïnes...  Per  tant,  els  seus   sistemes  respiratoris  són  semblants  als  aerobis.   Hi   haurà   diversos   tipus   de   cadenes   transportadores,   amb   components   i   processos   diferents,   dependrà   de   l’espècie,   per   això   no   estudiarem   ninguna   en   contret.   Tot   i   això   els   components  i  la  funcionalitat  seran  la  majoria  de   vegades  el  mateix.       Hi   ha   diversos   parells   d’electrons   (O2àH2O),   (Fe3+àFe2+),   (NO3-­àNO2-­)...,   és   doncs   químicament   el   contrari   del   que   feien   en   quimiolitotròfia   (H2OàO2)...   El   parell   redox   O2/H2O   és   el   més   electropositiu,   per   tant,   quan   s’utilitza   O2   com   acceptor   d’electrons   serà   quan   es  produeixi  més  energia.       2.5.1  Respiració  aeròbica   E.  Coli  presenta  una  cadena  respiratòria  diferent  a  la  típica,  tot  i  que  molts  dels   seus   components   i   el   rendiment   acaben   sent   el   mateix.     Depèn   de   la   pressió   parcial  d’oxigen,  quan  la  pressió  parcial  d’oxigen  es  baixa  utilitza  cyt  oxidasa  amb   alta  afinitat  per  l’oxigen  ja  que  ni  ha  molt  poc.  I  quan  la  pressió  parcial  d’oxigen   utilitza  una  citocrom  oxidasa  amb  una  baixa  afinitat  per  l’oxigen.       Això  és  un  exemple  de  la  gran  variabilitat  que  hi  ha,  i  tot  i  que  utilitzen  l’oxigen   com  acceptor  finals  d’electrons  poden  ser  processos  diferents.       2.5.2  Respiració  anaeròbica   1)  Reducció  del  nitrat  i  desnitrificació   En   alguns   microorganismes   com   els   bacteris   desnitrificants,   que   són   majoritàriament  anaerobis  facultatius,  la  respiració  anaeròbica  competeix  amb  la   aeròbica.   Si   el   O2   està   present,   fan   la   respiració   aeròbica,   i   els   gens   que   codifiquen  els  processos  anaeròbics  estan  reprimits,  encara  que  hi  hagi  nitrat  en   el   medi.   Però   quan   s’esgota   el   O2   els   bacteris   respiren   de   forma   anaeròbica,   utilitzant  nitrat  com  acceptor  d’electrons.       Els  compostos  nitrogenats  inorgànics  (NO2,  NH3,  N2,  NO,  N2O...)  són  alguns  dels   acceptors  d’electrons  més  freqüents  en  la  respiració  anaeròbica.  Un  dels  més   habituals  és  el  nitrat  (NO3-­)  que  es  pot  reduir  a  nitrit  (N2O-­)  à  òxid  nítric  (NO)  à   òxid  nitrós  (N2O)  à  dinitrogen  (N2).  Aquest  procés  s’anomena  desnitrificació,  i   permet  la  producció  de  nitrogen  atmosfèric  biològicament.       L’enzim   que   inicia   la   reducció   del  nitrat  és  la  nitrat-­reductasa,   un   enzim   de   membrana   que   conté  molibdè  i  la  seva  síntesi   està  reprimida  per  la  presència   d’oxigen   (per   això   només   realitzaran   aquesta   via   quan   no  hi  hagi  oxigen  en  l’ambient).   Les   altres   reaccions   fins   obtenir   el   N2   també   estan   catalitzades   per   enzims   reprimits   amb   la   presència   d’oxigen.       Alguns   organismes   només   poden   realitzar   la   primera   etapa,   com   el   cas   de   E.   Coli  que  és  un  anaerobi  facultatiu,  i  només  té  la  nitrat  reductasa,  per  això  no  pot   continuar  la  desnitrificació.  Així  doncs,  E.  Coli  generarà  nitrit  quan  respira  nitrat.   Per  això  a  nivell  de  desnitrificació  per  a  usos  ambientals  o  industrials  aquest  no   seria  un  bon  microorganisme.     Pseudomones   seria   un   clar   exemple   d’un   bacteri   desnitrificant,   que   redueix   completament  el  nitrat  a  nitrogen.  Són  anaerobis  facultatius  del  nitrat.     E.  coli  quan  hi  ha  oxigen  utilitza  l’oxigen  com  a  acceptor  d’electrons  i  NADH  com   a  donador  d’electrons,  ja  que  és  més  eficient  que  la  utilització  de  nitrat  com  a   acceptor  d’electrons.  Hi  ha  doncs  una  regulació  a  nivell  genètic  per  l’ús  de  oxigen   en  anaerobis  facultatius.  Utilitzen  sempre  primer  oxigen  i  quan  aquests  s’acaba   utilitzen   altres   acceptors   (menys   eficients).   Tot   depèn   de   la   diferencia   de   potencial   que   hi   hagi   entre   el   parell   de   donador   d’electrons   i   l’acceptor.   Quan   més  diferencia  hi  hagi  més  eficient  serà  i  per  tant  serà  el  compost  que  utilitzarà.       La  cadena  de  transport  d’electrons  de  baix  passa  del  nitrat  a  nitrogen  atmosfèric.   S’utilitzen   diverses   nitrogenasaes   que   es   troben   a   la   membrana   o   a   la   part   externa   de   la   membrana.   Aquesta   seria   Pseudomones   que   creix   en   un   medi   mínim,  amb  glucosa  amb  nitrat  i  sense  oxigen.       2)  Respiració  d’anaerobis  obligats:  reducció  desassimilativa  del  sulfat   Alguns   compostos   sulfatats   inorgànics   poden   ser   acceptors   d’electrons   importants  en  la  respiració  anaeròbica.  El  sulfat  (SO4-­2),  la  forma  més  oxidada   del   sofre   (la   qual   proporciona   més   energia),   és   un   dels   anions   majoritaris   en   l’aigua  del  mar  i  el  redueixen  els  bacteris  reductors  del  sofre.  El  producte  final  de   la  reducció  és  el  sulfur  d’hidrogen  (H2S).       Cal   distingir   entre   el   metabolisme   assimilador  i  el  desassimilador.     -­Molts  organismes  utilitzen  el  sofre  per   a  necessitats  biosintètiques  i  això  és  el   que   anomenem   com   a   metabolisme   assimilador.   El   H2S   format   es   converteix   immediatament   en   sofre   orgànic  en  forma  d’aminoàcids.       -­En   canvi,   en   el   metabolisme   desassimilador,  el  sulfat  s’utilitza  com  a   acceptor  d’electrons  en  processos  que   generen   energia,   i   això   implica   la   reducció   a   gran   escala   del   SO4-­2   i   es   limita  a  els  bacteris  reductors  del  sulfat.   En  aquesta  via  s’excreta  el  H2S.     El  sulfat  és  un  acceptor  d’electrons  molt  menys  favorable  que  el  O2  o  el  NO3-­,   però  es  genera  suficient  energia  per  sintetitzar  ATP,  a  partir  de  la  seva  reducció.     Pel  que  fa  als  donadors  d’electrons  utilitzats  els  més  freqüents  són  H2  i  lactat:       -­L’hidrogen  (H2)  pot  ser  un  donador  d’electrons  i  quan  es  trenca  mitjançant   la   hidrogenasa   (catalitza   la   primera   reacció   de   la   cadena),   els   protons   s’alliberen   al   medi,   generant   força   motriu   de   protons,   i   els   electrons   passen  per  la  cadena.  L’hidrogen  pot  ser  extern  o  provenir  del  catabolisme   de  compostos  orgànics  com  el  lactat  i  piruvat.           -­També   pot   donar   electrons   el   lactat,   però   la   cèl•lula   utilitza   aquest   compost   orgànic   per   obtenir   hidrogen   (i   de   rebot   acetat),   que   serà   transportat   fins   la   hidrogenasa   ja   que   sempre   treballen   amb   una   hidrogenasa  per  iniciar  la  cadena.  A  més,  quan  el  lactat  o  piruvat  són  els   donadors   d’electrons,   no   només   es   produeix   ATP   a   partir   de   la   força   motriu   de   protons   sinó   que   es   produeix   ATP   (i   CO2)   extra   durant   la   oxidació  del  piruvat  a  acetat.                                       Són  microorganismes  quimiolitòtrofs  si  utilitzen  H2  (un  compost  inorgànic  com  a   donador  d’electrons  i  respiració  anaeròbica)  o  quimioorganòtrofs  si  utilitzen  lactat   (un   compost   orgànic   com   a   donador   d’electrons   i   respiració   anaeròbica).   La   majoria  són  bacteris  reductors  del  sulfat,  exceptuant  una  espècie  d’arquea.       La  reducció  del  SO42-­  a  H2S  requereix  8  electrons  i  transcorre  a  través  d’una  sèrie   d’etapes  intermèdies.  La  reducció  es  pot  diversificar  en  dues  vies  com  ja  em  dit:   en   la   reducció   assimiladora   i   desassimiladora   del   sulfat.   Durant   la   reducció   desasimiladora  del  sulfat,  les  reaccions  del  transport  d’electrons  condueixen  a  la   formació  de  força  motriu  de  protons  que  permet  la  síntesi  d’ATP  mitjançant  la   ATPasa.         3)  Respiració  d’anaerobis  obligats:  reducció  de  CO2   Només  l’estudiarem  quan  el  donador  d’electrons  és  hidrogen  (pot  ser  altres).  És   un  metabolisme  on  els  components  fonamentals  seran  hidrogen  (H2),  donador   d’electrons   i   CO2,   acceptor   final   d’electrons.   Dos   grans   grups   de   procariotes   anaerobis  estrictes  utilitzen  el  CO2  com  acceptor  d’electrons  classificats  segons   el   producte   final   obtingut:   els   acetogènics   o   homoacetogènics   (només   produeixen  acetat)  i  els  metanogènics  (produeixen  gas  metà).       Els  microorganismes  que  ho  poden   fer   són   molt   diversos,   no   està   associat   a   un   grup   determinat   de   bacteris.   Normalment   els   acetogènics   són   bacteris   i   els   metanogènics  són  arquees.       3.1)  Acetogènics   Els  acetogènics  redueixen  el  CO2  a  Acetil-­CoA  mitjançant  la  via  del  Acetil-­CoA   (ja  l’havíem  vist  en  la  fixació  del  CO2).  Després  d’obtenir  Acetil-­CoA  aquest  pot   ser   utilitzat   per   a   biosíntesi   o   es   pot   acaba   reduint   en   acetat   produint   ATP   mitjançant  fosforilació  a  nivell  de  substrat.       Però  l’energia  principalment  s’obté  per  fosforilació  oxidativa  quan  s’estableix  una   força   motriu   de   sodi   a   través   de   la   membrana   plasmàtica   durant   l’acetogènia.   Aquest  estat  energètic  de  la  membrana  permet  que  una  ATPasa  (depenent  de   sodi)  sintetitzi  ATP  mitjançant  la  translocació  de  Na+.       És   gairebé   l’únic   exemple   de   producció   d’energia   en   el   qual   no   intervenen   citocroms  i  no  es  tracta  de  una  clàssica  via  de  respiració.  Una  via  de  respiració   no  ha  de  perquè  contenir  citocroms  ni  vies  de  transport  típiques.       El  CO2  serà  acceptor  final  d’electrons  i  també  serà  utilitzat  com  a  font  de  carboni.     3.2)  Metanogènics     Són   un   grup   d’arquees   anaeròbiques   estrictes   quimiolitòtrofs.   La   reducció   del   CO2   amb   H2   (donador   d’electrons   i   energia)   és   la   via   principal   de   la   metano-­ gènesis  en  la  qual  s’acaba  obtenint  metà  (CH4).  Presenten  enzims  i  coenzims   molt  diferents  als  bacterians  i  d’eucariotes.  Les  etapes  de  la  reducció  són:     1)   El   CO2   s’activa   per   un   enzim   que  conté  MF  i  es  redueix  a  formil.   El   donador   d’electrons   és   la   ferredoxina  reduïda  gràcies  al  H2.     2)   El   grup   formil   es   transfereix   a   un   enzim   amb   MP   (metanopterina).   Posteriorment   es   redueix   en   dues   etapes   a   metilè   i   metil,   gràcies   al   donador   d’e-­  F420  reduïda  degut  al  H2.       3)  El  grup  metil  es  transfereix  des   de  l’enzim  MP  a  l’enzim  CoM.     4)  El  metil-­CoM  es  redueix  a  metà   (CH4)   amb   la   metil-­reductasa   mitjançant   una   reacció   on   intervenen   CoM   i   CoB   (en   complex   disulfur   de   CoM   i   CoB   oxidat).       5)   Les   CoM   i   CoB   lliures   es   regeneren   mitjançant   la   reducció   del  complex  amb  H2.  Això  permet   la  conservació  d’energia.     La   producció   d’energia   està   lligada  a  dos  processos:             -­A  la  etapa  final  de  la  metil-­reductasa.  Per  a  que  el  procés  continuï,  es  necessari   obtenir  les  formes  reduïdes  i  separades  del  coenzim  B  i  el  coenzim  M.  Per  això,   aquest   complex   està   associat   a   una   cadena   de   transport   d’electrons   (la   típica   cadena   respiratòria)   on   l’hidrogen   és   el   donador   d’electrons   i   el   complex   és   l’acceptor  d’electrons.  Els  compostos  finals  reduïts  d’aquest  procés  són  els  CoM   i  CoB.     *Per  tant,  podem  dir  que  del  procés  global  l’acceptor  d’electrons  no  és  el  carboni   del  metil,  sinó  el  complex  CoM-­CoB  i  els  electrons  quedaran  circulant  en  aquesta   via  respiratòria  típica.       -­A  una  bomba  ATPasa  depenent  de  sodi,  mitjançant  la  força  motriu  de  sodi  que   es  forma  durant  la  conversió  de  CH3-­MP  a  CH3-­CoM.       4)  Altres  acceptors  d’electrons  en  la  respiració  anaeròbica   A   més   del   CO2   i   dels   compostos   inorgànics  nitrogenats  i  sulfurats,  hi   ha  altres  substàncies,  orgàniques  i   inorgàniques,   que   poden   funcionar   com   acceptors   d’electrons   per   a   la   respiració   anaeròbica   (microorganismes   anaerobis   estrictes  o  facultatius).  Alguns  d’ells   són   el   ferro   fèrric   (Fe3+),   el   ió   mangànic  (Mn4+),  el  clorat  (ClO3-­),  i   varis  compostos  orgànics  (fumarat,   arseniat,  seleniat...).       Els   parells   redox   d’acceptors   d’electrons   presenten   potencials   redoxs   diferents,   sent   el   més   electropostitiu   i   per   tant,   més   eficient   el   Clorat/Clorur   (ClO3-­/Cl-­)   amb   potencial   +1   (inclús   més   electropositiu   que   quan   s’utilitza   oxigen  en  la  respiració  aeròbica  on   el  parell  redox  O2/H2O  té  +0,82).       Algunes   d’aquestes   respiracions   són   importants   per   bioremediació,   utilitzant   aquests   microorganismes   com   a   descontaminants   naturals   (EX:   eliminació   d’hidrocarburs  aromàtics  en  aqüífers  anòxics  rics  en  ferro,  eliminació  de  seleni   del  sòl  contaminat...).  El  compost  orgànic  TMAO  és  un  producte  dels  peixos  del   mar,  i  varies  bactèries  el  poden  reduir  a  TMA,  que  té  un  fort  olor  i  sabor  a  peix   en  descomposició.               [acasals]  Més  apunts  a:  https://unybook.com/perfil/acasals     ...

Comprar Previsualizar