Tema 1 Introducció (2013)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Rovira y Virgili (URV)
Grado Bioquímica y Biología Molecular - 3º curso
Asignatura Metabolisme de Microorganismes
Año del apunte 2013
Páginas 18
Fecha de subida 18/01/2015
Descargas 33
Subido por

Vista previa del texto

Tema 1: Introducció – Metabolisme dels microorganismes 1. Introducció: Metabolisme dels microorganismes, visió global.
1.1 Dinàmica metabòlica dels microorganismes unicel·lulars.
1.2 Composició química de cèl·lules procariotes, macromolècules, elements.
1.3 Fonts de carboni, de nitrogen, altres. Necessitats energètiques.
1.4 Font d’energia. Bases del metabolisme energètic: síntesi d’ATP i potencials de reducció.
1.5 Diversitat metabòlica i principals tipus metabòlics als microorganismes.
Metabolisme (grec metabole: canvis): processos químics que tenen lloc a les cèl·lules.
El terme metabolisme te l’origen del grec, de la paraula metabole, que vol dir canvis. El metabolisme són els canvis en la transformació de un substrat inicial en una sèrie de intermediaris que seran els productes.
Metabolisme dels microorganismes no és diferent de metabolisme dels essers vius en general però si és més divers: màxima diversitat metabòlica a procariotes (bacteris i arquees). S’intentarà reflectir en aquesta assignatura la diversitat de metabolismes més importants i utilitzats pels essers vius. Ens centrem en els bacteris, ja que són molt més diversos que es microorganismes eucariotes, com els llevats.
Dinàmica metabòlica dels organismes unicel·lulars: En els cas del col·lectiu dels procariotes els nutrients que poden ser utilitzats són molt variables. Poden transformar i aprofitar una sèrie de compostos molt diversos com també generar una sèrie de productes mot diversos.
Tot el metabolisme d’un nutrient implica un transport. La entrada d’una sèrie de vies catabòliques que li aportaran energia a partir del nutrient. Per tant sempre parlarem de font d’energia (nutrient).
D’aquests nutrients també es generen productes d’extracció que per la cèl·lula no tenen cap importància però que aquesta transformació pot tenir després una aplicació que ens pot interessar a nosaltres, (els productes que generen aquestes vies metabòliques).
Aquesta energia s’utilitzarà per lo que necessiti la cèl·lula, dependrà del seu estadi de creixement, de l’entorn en quin es trobi, de les condicions... Aquesta energia s’utilitzarà per utilitat, si és que en te al microorganisme, òbviament per manteniment cel·lular, per sobreviure, per reproduir-se (fase de creixement), per tant es faran processos d’anabolisme o síntesi.
Les vies d’anabolisme són molt menys diverses que les catabòliques. Tot aquest entrellaçat de processos anabòlics, catabòlics, utilització de l’energia... va lligat a les condicions externes que són molt variables; per tant el metabolisme es genera en base a estímuls interns, externs...
“Encara que cells al microscopi semblen estructures estables (i procariotes encara ho semblen més, per la seva mida), son entitats dinàmiques, que contínuament estan tenint canvis, reaccions químics que expliquen el seu funcionament. Els compostos quimics components de cells son molt variats i quan cell creix, entren grans quantitats de comp. químics de fora: de l'ambient: son els NUTRIENTS (orgànics i inorgànics).
Un cop dins, els nutrients es transformen en components cells: aquest proces es l'ANABOLISME, o també anomenat BIOSINTESI Biosintesi i manteniment de funcions cells (transport nutrients, motilitat, etc) necessiten ENERGIA, que també s'obte de fora: llum o compostos quimics.
En aquest cas, el proces de trencar comp quimics per treure'n energia, es el CATABOLISME. Així doncs el resultat conjunt de catabolisme i anabolisme es el METABOLISME Cal remarcar que els microorganismes unicel.lulars, a diferencia de la resta d'organismes pluricel.lulars, fora la cell es l'ambient: estan sotmesos a molt possibles diefrencies ambientals i de composicio de nutrients. En canvi, als pluricel.lulars fora la cell es el medi intern de l'organisme, relativament constant. Ex: sang” Metabolisme de microorganismes respecte els altres organismes: - Gran diversitat metabòlica: totes les possibilitats són cobertes pels molts diversos microorganismes.
És a dir, la respiració aeròbica, anaeròbica, el quimilitotrofisme, la fotosíntesi... tot lo que es pugui trobar en un organisme superior, aquell mateix metabolisme es pot trobar en un microorganisme (no idèntic òbviament).
- Gran diversitat d’ambients i nutrients per a un mateix microorganismes: o Facultativisme usual: diversos tipus de metabolisme. Hi ha molt microorganismes que són facultatius (la capacitat de poder fer més d’un tipus de metabolisme) per exemple, no només ser fermentat, sinó també ser respirat.
o Capacitat genètica diversa, amb requeriment adaptació: mecanisme regulació. Tot això va lligat a que hi ha una capacitat genètica molt diversa. En els microbis hi ha tota una quantitat de gens que codificaran per tota una quantitat d’enzims diferents que podran, a vegades de forma relacionada funcionar cap a una via o cap una altra. I així optimitzar els recursos que té la cèl·lula segons les condicions exteriors i regular-se.
“Regulació complexa, sobretot a nivell de síntesi enzims. Ex Pseudomonas: ventall de comp. org. possibles com a substrats.” Necessitats nutricionals dels microorganismes: Imatge per tenir una idea bàsica de que utilitzen els microorganismes.
- En color groc tenim els elements que serien essencials.
- En rosa estan els cations essencials dels microorganismes (clor, sodi, magnesi...) - També hi ha tota una sèrie de metalls traça, són essencials per algunes famílies de microorganismes.
Estan representats en verd.
- En lila tenim els elements que s’utilitzen per funcions específiques.
- En marró estan els elements que no són essencials però si que es poden metabolitzar alguns microorganismes.
- En blau tenim els que no són metabolitzats ni són essencials en els microorganismes que avui dia es coneixen.
“En contrast amb l'àmplia capacitat dels bacteris, plantes, i animals per incorporar seleni no específicament a les proteïnes en forma de residus de selenometionina, la selenocisteína àcid selenoamino es produeix com un component altament específic d'uns pocs enzims dependents de seleni. Selenocisteína s'ha identificat en glicina reductasa, formiat deshidrogenasa, i hidrogenasa d'origen bacterià” Més a nivell de cèl·lula, els elements més essencials que hem vist a la taula periòdica amb els el seu percentatge en pes sec serien els de la imatge.
Aquí tenim els percentatge que representaria en les macromolècules on estan representats aquests elements.
Primer les proteïnes, els lipids, polisacàrids...
Finalment el RNA, que hi ha molt més RNA que DNA. El RNA com a molècula és molt més estable, i es copia moltes més vegades que el DNA.
Fonts de carboni, de nitrogen, altres. Necessitats energètiques: Aquestes necessitats nutricionals, aquestes necessitats d’entrada d’aquests elements que parlàvem per desprès sintetitzar tots aquests compostos, components cel·lulars que després es polimeritzen, òbviament s’aconsegueix gracies a les vies catabòliques que podran generar intermediaris del metabolisme que després aniran cap a les vies anabòliques, biosíntesi.
Diversitat de requeriments nutricionals: Ara anem a mirar més concretament que necessita cada microorganisme com a substrat.
En la imatge tenim 4 bacteris i també tenim indicat, per exemple, els components bàsics que necessitaries per fer créixer cadascun d’ells.
En els cas de Escherichia coli, es necessita un medi de cultiu que contingui glucosa, amoni, magnesi... és un medi bastant senzill per aquest bacteri, no necessita requeriments addicionals.
En els cas de la salmonel·la necessita tots els nutrients bàsics i a més a és també el triptòfan.
L’Staphylococcus ja necessita algun precursors de vitamines i 10 aminoàcids diferents. Finalment, el Leuconostoc és un bacteri làctic que si ens fixem necessita una llista molt llarga per poder créixer, a més de 16 aminoàcids diferents.
“Organòtrofs: comp. org. com a Fonts E i C” Síntesi de nou material cel·lular a partir de substrats: Per funcionar doncs, caldrà proveir de tota aquesta sèrie de substrats, depenent de si es un organisme o un altre, necessitarà més o menys. Aquesta imatge a la profe no li agrada molt però per altra banda esta be, ja que es veu la progressió de com a partir del substrat, el compost va evolucionant. En primer cas el catabolisme i després l’anabolisme per a la biosíntesi dels components cel·lulars. En gris tenim exemple de lo que podria ser en cada categoria.
A partir d’un substrat o d’uns pocs substrats es genera de mitja de 12 precursors de metabolisme central.
Aquests 12 són els precursors metabòlics centrals que després evolucionen a uns 60 tipus diferents de biomolècules activades com poden ser els aminoacils, els t-RNA... que serien els precursors activats per formar els polímers, és a dir, formar proteïnes. Com a conclusió, a partir d’uns pocs precursors de metabolisme central, es pot gener tots els components cel·lulars que necessita al cèl·lula per funcionar.
“1/5 dels gens d’E. coli codifiquen per funcions de síntesi dels building blocks de polimers i cofactors. Els intermediaris del metab. central que donen lloc als building blocks s’anomenen “precursors metabòlics centrals” (12) La cèl·lula prefereix incorporar els building blocks del medi, economia cel·lular. Microorg que viuen en entorns complexes en quant mat organica han perdut part de la capacitat metabolica biosintesi de building blocks: auxotrofia de certs compostos, aquests compostos s’anomenen factors de creixement o vitamines.” Aquesta imatge encara és més lletja. És la ruta de la glicòlisi. Lo que indica cada fletxa i el seu gruix és que ens dona una idea de proporció (en aquest cas de milimol per obtenir un gram de cèl·lula) de cadascun dels precursors centrals (com pot ser el piruvat, l’oxalacetat...) la importància per a sintetitzar els components cel·lulars.
L’acetil CoA, alhora de sevir com a intermediari de la glicòlisi, també, quan la cèl·lula necessita fer biosíntesi, doncs requerirà gran quantitat d’AcetilCoA per a la biosíntesi d’àcids grassos, isoprenoids... representa el precursor més important quantitativament per mantenir els components cel·lulars. També hi ha el Piruvat, l’Oxalacetat... molt importants. Aquests precursors venen de la degradació del substrat de la via catabòlica que vinguin.
“Malgrat l’aparen homogeneitat de la biosintesi, en cada bacteri, els enzims implicats malgrat fer la mateixa funció poden presentar diferencies importants en quant a activitat i regulació (evolució divergent). També es dóna però l’evolució convergent Les vies catabòliques han de servir una doble funció: degradacio-energia, proporcionar precursors centrals metabòlics. Es mostra el flux metabòlic d’una ruta coneguda (utilització de sucre)” Font d’energia. Bases del metabolisme energètic: síntesi d’ATP i potencials de reducció.
L’energia que necessitarà la cèl·lula per funcionar, com la aconsegueix? Aquí mostra un exemple de en què es gasta o es requereix l’energia, l’energia i el poder de reducció. La cèl·lula en què es gasta o requereix l’energia i el poder reductor per aconseguir, doncs, sintetitzar els diferents tipus de compostos principals que constitueixen la cèl·lula? Aquesta primera columna ens indica els que requeririen ATP per energia en mmols per sintetitzar la quantitat de proteïna que hi hauria en un gram de cèl·lula. Això seria per sintetitzar els precursors (AA). En la segona columna tindríem el que podria invertir per activar aquests aminoàcids per a que tingui lloc la polimerització (formació de la proteïna).
La entrada de alguns compostos a les vies metabòliques implica la fosforilació, com és el cas de la glucosa. Les vies metabòliques que fan possible l’activació dels components per la polimerització es més costós en el cas de les proteïnes que en el cas de altres polímers.
Lo que tenim a la tercera columna és lo que anomenem poder reductor. Aquest concepte s’anirà repetint molt.
Quan parlem de poder reductor el que estic parlant es dels cofactors que permeten les reaccions de reducció que requereix la biosíntesi. La biosíntesi implica, en general, un procés de anar reduint els productes. A partir dels precursors centrals que parlàvem, més o menys oxidats, quan s’incorporen a la biosíntesi el que hi ha és unes etapes de reducció. Qui subministra aquí els electrons? El que anomenem el poder reductor de la cèl·lula (NADPH o NADH).
El transport també s’ha de tindre en compte. Síntesi, transport i activació. Tota questa energia, una part important d’aquesta energia que necessita la cèl·lula per mantenir-se s’aniria en aquests processos.
L’energia com s’aconsegueix? Tenim dos mecanismes basics que podem trobar en la natura.
- Fosforilació a nivell de substrat.
- Fosforilació oxidativa.
Fosforilació a nivell de substrat: (SLP) a glucòlisi.
Aquí tenim la imatge de la via que hem parlat abans, la de la glicòlisi. Hi ha dues etapes de fosforilació a nivell de substrat, on és el substrat, que en aquest cas és un intermediari. El substrat en aquesta reacció concreta està doblement fosforilat i cedeix un grup fosfat a l’ADP per produir ATP. I un altre exemple és el segon intermediari, que també fosforilat li cediria a l’ATP. (exemple de fosforilació a nivell de substrat).
L’acetil CoA també és un exemple d’aixó. L’enllaç que forma amb el CoA és altament energètic i quan alguna etapa de la via metabòlica s’allibera el coenzimA l’energia és pot utilitzar per la cèl·lula.
La fosforilació oxidativa: És l’abastiment d’ATP que ve de les cadenes de transport electrònic. Tot va lligat a la ATPasa de membrana. La cadena d’electrons, lo que fa al final, és permetre crear un gradient on anirà sortint els protons i mitjançant aquesta translocació es podrà transformar el ADP en ATP.
Una ATPasa de membrana no sempre va lligada a que hi hagi una cadena d’electrons. Hi ha microorganismes que no fan respiració i que no tenen cadena d’electrons i que tenen ATPases i que funcionen gràcies a ATPases, per tant el concepte de ATPasa normalment l’associem al moviment d’electrons a la cadena de la membrana i a lo que va lligat realment és al gradient de protons que fa que la membrana estigui activada. Vol dir, doncs, que existeix aquest gradient de més protons a l’exterior cel·lular que al interior cel·lular. Que aquest gradient l’afavoreix la cadena d’electrons? Pot ser que sí, però també hi ha altres casos que afavoreixen aquest gradient.
Quan hi ha aquest gradient, la ATPasa és un canal de sortida de protons que permet la sortida espontània gràcies al gradient. I s’extreu una energia que es necessària per la fosforilació.
“un model d'ompliment d'espai, també conegut com un model de calota, és un tipus de model tridimensional molecular on els àtoms estan representats per esferes els radis són proporcionals als radis dels àtoms i el centrea-centre distàncies són proporcionals a les distàncies entre els nuclis atòmics, tots en la mateixa escala. Els àtoms de diferents elements químics solen estar representats per esferes de diferents colors.” FOSFORILACIÓ OXIDATIVA Que es pugui generar més o menys energia ve determinat també del nombre d’electrons que entra en joc. La glucosa és un compost orgànic i el hidrogen té un potencial redox molt similar que pot donar lloc a més etapes d’oxidació.
També tenim l’acetat com un donador electrònic que el potencial és una miqueta més baix que la glucosa, i la oxidació de l’acetat és inferior a la glucosa, en principi perquè augmenta més el nombre d’electrons que entra en joc en el cas de la glucosa.
“n. electrons transferits: cal fer estequiometria reacció i veure canvis estat oxidació: Ex: C6 H12 O6 + 6 O2 = 6 H2 O + 6 CO2 0 +1 -2 0 +1 -2 +4 -2 0 +12 -12 0 +12 -12 +24 -24 El H esta igual als 2 costats mentre que C passa de 0 a +24 O passa de -12 a -36 o sigui 24 electrons transferits del C (donador) al O (acceptor) per mol glucosa ----------------------------------PROBLEMES: calcular dG teòrica: 1) respi aero: Glucosa, O2 dG= -24·23,06·(0,82+0,43)=-691,8 ( /-7 = 98 ATP teòrics) 2) Q-lito: HS-, O2 (dona S i H20) H2 S + 1/2 O2 = S + H2 O +2 -2 0 0 +2 -2 S passa de -2 a 0, Oxigen passa de 0 a -2 o sigui 2 elect passats de S a O per mol H2S dG= -2·23,06·(0,82+0,27)=-“ Aquí tenim el exemple del hidrogen. La oxidació del hidrogen gràcies a la reducció de l’oxigen com a acceptor d’electrons. Aquesta sèrie de reaccions és espontània. La diferencia de potencial és el que es redueix menys el que s’oxida que surt + a,24 V, però que quan calculem la energia lliure (AG) que generarà aquesta reacció (el nombre d’electrons, la constant i la diferencia de potencial). I dona un valor negatiu (-57 Kcal/mol), que per 1 ATP és -7 Kcal/mol. Això és un idea teòrica de quants ATPs es podrien aconseguir un microorganisme oxidador del hidrogen per tal d’aconseguir energia.
Aquesta imatge serveix per il·lustrar lo que s’ha dit en la diapositiva d’abans amb números. Per tindre un idea més gràfica.
Tenim una cadena d’electrons d’una respiració aeròbia.
Tenim els complexos proteics que trobaríem, els Citocroms, les peroxidases... i l’oxigen com acceptor.
Una cosa interessant de la imatge és veure cóm des del inici de la cadena el potencial redox estàndard va passant un potencial REDOX ja que el substrat es va oxidant. Per tant cada vegada, passa el potencial tornant-se més positiu.
Al proper tema ja parlarem del flux revers d’electrons.
Però precisament l’estat REDOX de cada intermediari importa. Per després, quan s’ha de generar poder reductor ha d’haver-hi un flux revers. D’un potencial més positiu a un potencial més negatiu.
“SINTESI ATP (Lengeler) Cal que el donador d’e tingui un carácter reductor important. En SLP el comp. org. que redueix el NADH i permet després la fosforilació. En ETP el donador inicial que sigui reductor.
Síntesi d'ATP és acoplada a reaccions exergòniques Rendiment en ATP és funció d'Energia Lliure (DG) de la reacció motora Síntesi de 1 mol ATP a pH7 i 1M de reactius (ADP, Pi) a 25°C = 32 kJ però dins cells, concentració Pi és aprox. 10 mM, per tant (aplicant fórmules pàg. 50 Lengeler) = 44 kJ/mol ATP Mentre que a SLP (fosforilació nivell substrat), reacció motora cal que sigui > que -44 kJ/mol sustrat (10 kcal/mol), i reaccions menys exergòniques no poden ser acoblades a fosforilació, en canvi: ETP (fosforilació cadena transport electrons) permet síntesi fraccions ATP, per variacions enquantitat de H+ trasnposats a través membrana pel transport electrons.
Aquesta flexibilitat energètica permet ETP en molts metabolismes anaeròbics, amb ∆G molt baixos, que no permeten SLP.” Ara parlarem de la classificació dels microorganismes. La classificació del metabolisme en funció del a font d’energia, ja he dit que era el donador d’electrons, que agafa l’organisme per oxidar-los i també a nivell de la font de carboni, és a dir, a nivell d’anabolisme.
En la primera taula de dalt tenim lo que es la classificació més general.
A partir de les combinacions, després, es poden designar al microorganismes amb el seu metabolisme, és a dir, si un microo. Es diu Fotolitoautrotof, vol dir que, com a font d’energia utilitza la llum i que com a font de carboni (biosíntesi) utilitza el CO2.
- - FOTOAUTOTRÒFIA: o Oxigènica: per què se li diu oxigènica a la fotosíntesi de les plantes? No és perquè l’acceptor sigui l’oxigen, és perquè genera oxigen. Té representants bacterians, plantes, algues...
o Anoxigènica: que vol dir? Que no produeix oxigen. Només té representants bacterians.
FOTOHETEROTRÒFIA: Vol dir que la font de carboni és compostos orgànics i no CO2. En aquest cas també són els bacteris qui fan aquest metabolisme.
- QUIMIOLITOAUTOTRÒFIA (Químiolitotrofia): Mengen compostos inorgànics i que necessiten el CO2 com a font de carboni. De bacteris nitrificants del sofre, arquees metanògens...
- QUIMIOLITOHETEROTRÒFIA: Com que existeixen molts pocs casos de quimiolitoheterotròfia és tendeix només a parlar de quimiolitòtrofs. Aquest és un metabolisme que és propi només de microorganismes (bacteris).
- QUIMIOORGANOHETEROTRÒFIA (Heterotròfia): Mengen compostos orgànics i que utilitzen compostos orgànics com a font de carboni. Aquí tenim uns altres subgrups que són: o Respiració aeròbica  eucariotes i procariotes o Respiració anaeròbica  procariotes o Fermentacions  procariotes, fongs És una taula que recull diferents tipus de metabolismes i tenim els grups de quins serien els donadors d’electrons i quins els acceptors, també la font de carboni...
Molt d’ells hem de tenir la idea que són facultatius, és a dir, a part d’un metabolisme en poden fer un altre.
Depenent de lo que tinguin disponible al medi faran un metabolisme o un altre.
La imatge d’abans és un exemple concret de fotoautrotròfia oxigènica. Que vol dir que genera oxigen i que utilitza CO2 com a font de carboni. Aquest metabolisme és característic de cianobacteris i cloroplasts d’algues i plantes.
Aquí, quan apareix ETP, vol dir que és Electron Transport Phosphorilation (cadena d’electrons). Quasi totes les cadenes d’electrons són més o menys similars. En el cas dels oxigenics lo més interessant és veure com capten la llum, incorporen aquesta llum per engegar la cascada d’electrons, on intervenen els citocroms la NADPreductasa, que permet obtenir poder reductor (NADPH), i aquesta cadena d’electrons, tota, lo que fa es generar tot un gradient de protons de l’interior cap a l’exterior que és al final el que genera aquest flux cap a l’interior una altra vegada per la ATPasa generant ATP.
També ens troben amb una cadena d’electrons semblant a la que coneixem per euxariotes. També té citocroms, peroxidases...Aquí la font d’energia és un compost inorgànic u l’acceptor és l’oxigen. La entrada de carboni igual que en el cas anteri or, és pel cicle de calvin.
Els quimiolitotrofs, els elements són els mateixos a excepció de que aquí la entrada de carboni no és a través del CO2 i el cicle de calvin, sinó pel cicle de krebs i la glucosa com a font de carboni (sucres). D’aquesta glicòlisi, d’aquesta oxidació serà la que activi la cadena d’electrons.
Les fermentacions tenen un metabolisme diferent.
Aquí hi ha un donador com a font d’energia que és un intermediari de la via metabòlica.
Tant el donador com l’acceptor són intermediaris orgànics d’una via metabòlica.
El producte final no és el CO2 ja que no hi ha una oxidació completa en aquest cas.
En la fermentació ens quedem amb un intermediari orgànic. Per exemple en el cas de la fermentació làctica, la baixada del número de pH provoca l’oxidació de la glucosa a àcid làctic.
En les eucariotes, hi ha diferents necessitats en quan a l’oxigen.
Per què els anaeròbics estrictes moren en presencia d’oxigen? Perquè no tenen els enzims per degradar les formes tòxiques que forma l’oxigen. De les reaccions aeròbiques hi haurà una petita part de proporció que es formarà de radicals oxidants. Aquí tenim l’exemple de l’ió superòxid. Aquestes especies són molt oxidatives, reaccionen ràpidament i degraden tot lo que tenen a l’abast, lípids, proteïnes... i poden afectar moltíssim a la cèl·lula. Les cèl·lules que estan adaptades evolutivament tenen una sèrie d’enzims que els hi permet destoxificar aquestes formes altament reactives. La superoxid-dismutasa faria reaccionar l’ió superòxid i el convertiria en oxigen i H2O2 i per tant per destoxificar el peròxid d’hidrogen algun microorganismes tenen la catalasa o altres la peroxidasa. Que tenen la funció de transformar el H2O2 en H2O i O2.
...