3.Metabolisme (2015)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Lleida (UdL)
Grado Medicina - 2º curso
Asignatura Bases Microbiològiques de la Infecció
Año del apunte 2015
Páginas 12
Fecha de subida 08/04/2015 (Actualizado: 03/06/2015)
Descargas 23
Subido por

Descripción

Apunte actualizado el 08-04-2015

Vista previa del texto

BLOC  3:  METABOLISME  BACTERIÀ     El   metabolisme   és   el   conjunt   de   reaccions   que   succeeixen   dins   la   cèl·lula.   Podem   diferenciar   entre   catabolisme,   basat   en   l’obtenció   d’energia,   i   anabolisme,   usa   l’energia   per   a   sintetitzar   precursors  intracel·lulars  i  macromolècules.       Hi   ha   diferents   tipus   de   microorganismes   en   funció   de   la   seva   font   d’energia   i   la   font  de  carboni.  La  font  d’energia  pot  provenir  de  la  llum  o  d’una  reacció  química.   En  canvi,  la  font  de  carboni  pot  provenir  de  diòxid  de  carboni  i  compostos  orgànics.   Són:       -­‐ Fotoautòtrofs:   obtenen   l’energia   de   la   llum   i   el   carboni   del   diòxid   de   carboni.  Són  les  plantes.     -­‐ Quimioautòtrofs:   obtenen   l’energia   de   reaccions   químiques   i   el   carboni   diòxid  de  carboni.  Som  els  animals.     -­‐ Fotoheteròtrofs:  obtenen  l’energia  de  la  llum  i  las  seva  font  de  carboni  són   compostos  orgànics.     -­‐ Quimioheteròtrofs:  són  tots  els  bacteris  patògens.  Obtenen  l’energia  de  les   reaccions  químiques  i  el  carboni  a  partir  de  compostos  orgànics.                     Un  compost  orgànic  reduït  serà  transformat  a  un  compost   orgànic  oxidat,  el  que  permetrà  obtenir  una  molècula  ATP   que   usen   els   bacteris   per   a   passar   els   compostos   orgànics   a  material  cel·lular.     L’ATP  es  pot  obtenir  per  fosforilació  oxidativa  o  a  nivell  de  substrat.     La   fosforilació   a   nivell   de   substrat   es   tracta   d’una   reacció   en   la   qual   l’acceptor  final  d’electrons  és  un  mateix  compost  de  la  via  de  transformació   catabòlica.   I,   l’energia   es   forma   a   partir   del   trencament   d’un   intermediari   amb   un   enllaç   fosfat   molt   ric   en   energia.   La   ruptura   d’aquest   enllaç   fosfat   i   la   unió  a  ADP  depèn  d’energia  pròpia  de  la  via.       La  fosforilació  oxidativa  es  caracteritza  per  una  cadena  de  transport  d’electrons.   Tots  els  transportadors  estan  inclosos  en  una  membrana,  en  el  cas  dels  bacteris  la   membrana   plasmàtica.   Estan   ordenats   de   manera   que   el   pas   d’electrons   és   de   més   electropositiu  a  més  electronegatiu.  Les  càrregues  positives  s’acumulen  a  l’exterior   i  les  negatives  a  l’interior  el  que  origina  un  potencial  electroquímic  que  coneixem   com   potencial   motor.   L’ATPasa   és   la   catalitzadora   d’aquesta   energia.   L’acceptor   final  d’electrons  és  exogen  i  no  és  propi  de  la  via.     Pot  ser  de  tipus:     -­‐ Aeròbia:   l’acceptor   final   és   l’oxigen   (element   més   electronegatiu),   per   tan   és  la  més  eficient.     -­‐ Anaerobi:   l’acceptor   final   no   és   l’oxigen,   sinó   que   són   altres   productes   orgànics.                   A   vegades   en   els   bacteris   les   cadenes   respiratòries   es   troben   separades   en   branques,   subdividides.   A   partir   del   citocrom   Q   pot   escollir   entre   dos   camins   en   funció  de  la  quantitat  d’oxigen  que  hi  ha  en  l’ambient.  Molts  bacteris  són  capaços   de   detectar   els   nivells   d’oxigen   en   l’ambient   i   distingir   entre   aquests   dos   camins,   com  Escherichia  coli.   -­‐ En  altes  concentracions  d’oxigen  seria  més  eficient  el  citocrom  O,  de  baixa   afinitat.     -­‐ En   baixes   concentracions   requerim   major   afinitat,     que   equivaldria   al   citocrom  C.     El  metabolisme  respiratori  de  macromolècules  orgàniques  el  podem  dividir  en  tres   fases:     1. Descomposició   de   les   macromolècules   a   monòmers:   entren   proteïnes,   polisacàrids   o   lípids   que   són   trencats   en   els   seus   monòmers   que   són   aminoàcids,   monosacàrids   i   glicerols   (més  àcids  grassos)  respectivament.     2. Conversió   a   molècules   de   2C:   totes   tres   molècules   deriven   a   una   molècula   de   2C   que   participa   al   cicle   de   Krebs.   Els   monosacàrids   combinats   amb   el   glicerol   donen   lloc   a   piruvat,   un   procés   que   resulta   en   la   formació   d’una   molècula   d’ATP   i   NADH,   que   participarà   en   la   cadena   transportadora   d’electrons.   EL   piruvat   deriva   a   acetil-­‐CoA   originant   també   NADH.   Els   aminoàcids  i  els  àcids  grassos  també  deriven  a  la  formació  d’acetil-­‐CoA.     3. Cicle   de   Krebs:   l’oxidació   d’aquesta   molècula,   acetil-­‐CoA,   comporta   l’alliberació  de  dos  diòxids  de  carboni  i  la  generació  de  FAD+  i  NADH+  que  es   dirigiran  a  la  cadena  respiratòria.  En  la  transformació  monosacàrids  a  piruvat   ja  obtenim  ATP  i  NADH,  però  molt  poc.     L’oxigen,   necessari   per   a   fer   una   respiració   aeròbia,   pot   ser   tòxic.   Pot   produir   alguns   radicals   tòxics   com   el   superòxid,   peròxid   d’hidrogen     i   radicals   hidroxil   que   poden  afectar  a  totes  les  macromolècules  cel·lulars.     El   bacteri   per   tant   requereix   alguns   enzims   detoxificadors   d’oxigen.   Els   més   comuns  són:   -­‐ Catalasa:  descomposa  dos  molècules  de  peròxid  d’hidrogen  en  aigua  i  gas.     -­‐ Peroxidasa:   igual   que   la   catalasa   però   requereix   NADH.     -­‐ SOD   o   superòxid   dismutasa:   transforma   dos   molècules   de   superòxid   d’oxigen  a  peròxid  d’hidrogen.       S’acostuma  a  combinar  amb  l’activitat  catalasa.       -­‐ Superòxid  reductasa       !  Sense  aquests  enzims  el  bacteri  no  podria  viure  en  presència  d’oxigen.       Podem  classificar  els  bacteris  en  funció  a  la  seva  relació  amb  l’oxigen.     -­‐ Aerobis:   els   bacteris   creixen   només   en   presència   d’oxigen,   necessiten   oxigen   per   viure.   Els   bacteris   aerobis   estrictes   només   produiran   ATP   per   respiració  aeròbica.     -­‐ Anaerobis   (obligats):  els  bacteris  creixen  només  en  absència  d’oxigen,  no   poden  viure  en  presència  d’oxigen.  Basen  el  seu  metabolisme  en  respiració   anaeròbica  o  fermentació.     -­‐ (Anaerobis)   facultatius:   bacteris   que   poden   créixer   en   presència   o   absència   d’oxigen.   Poden   respirar   aeròbicament   i   anaeròbicament   (fermentar),   tot   i   que   els   fermentadors   làctics   sempre   fermenten.   Però   les   reaccions   que   no   depenen   d’oxigen   són   menys   eficients   per   lo   que   prefereixen  viure  amb  presència  d’oxigen.     -­‐ Microaeròfil:  necessiten  oxigen  però  en  menor  pressió  que  la  atmosfèrica.   Per  tant,  es  situen  a  prop  del  medi  ric  en  oxigen.     -­‐ Aerotolerant:   poden   viure   en   absència   o   presència   d’oxigen,   indiferentment.   No   tenen   cadena   respiratòria,   per   tant   no   poden   utilitzar   l’oxigen   però   tampoc   en   generen   radicals   per   lo   que   no   els   resulta   perjudicial.         En   la   següent   imatge   s’ilustren   els   diferents   tipus   de   bacteris   en   funció   de  la  seva  relació  amb  l’oxigen.     Un   bacteri   que   es   troba   en   la   franja   vermella   indica   afinitat   per   l’oxigen.   Si   es   troba   en   la   groga   significa   aversió  a  l’oxigen.             La   fermentació   és   una   via   catabòlica   de   reaccions   d’oxidació.   Es   reduiran   els   mateixos  compostos  orgànics.     La   imatge   de   la   dreta   ens   mostra   l’esquema   general   de   les   fermentacions   microbianes.   És   produeix   ATP   per   fosforilació   a   nivell   de   substrat,   és   a   dir,   a   través   de   la   ruptura  de  l’enllaç  fosfat  i  l’acceptor  final  d’electrons  es   troba  dins  la  mateixa  via.           La   via   més   coneguda   és   la   glucòlisis,   tot   i   que   n’hi   ha   d’altres.   La   glucosa   (6C)   es   transforma   a   àcid   pirúvic   (3C)   obtenint  ATP  i  NADH.  A  partir  de  l’àcid  pirúvic,  consumint   el  NADH,  obtenim  el  producte  final.         La  podem  dividir  en  tres  fases:     1. Reaccions   preparatòries:  es  fosforil·la  la  glucosa  a  glucosa-­‐6P  que  deriva   a   fructosa.6P.   La   fructosa-­‐6P   sofreix   una   reacció   reversible   i   dóna   lloc   a   fructosa-­‐1,6-­‐biP.   També   es   coneix   com   fase   d’inversió   d’energia,   ja   que   la   fosforilació   de   la   glucosa   i   el   pas   de   fructosa-­‐6P   a   fructosa1,6-­‐biP   implica   l’ús   d’una   molècula   d’ATP.   Per   tant,   com   a   resultat   total   en   aquesta   fase   perdem  dos  ATP.       2. Oxidació:   comença   amb   l’obtenció   de   gliceraldehid-­‐3P   a   partir   de   fructosa-­‐ 1,6-­‐biP.   A   partir   de   nombroses   reaccions   el   gliceraldehid   deriva   a   fosfenolpiruvat   (PEP)   que   a   través   de   la   piruvat   quinasa   (generar   2ATP)   dóna   lloc   al   piruvat.   També   es   coneix   com   fase   d’obtenció   d’energia   puix   que   es   dóna   la   formació   de   4ATP.   Com   a   resultat   net   entre   les   dues   fases   tenim  per  tant  2  molècules  noves  de  ATP  (-­‐2ATP+  4ATP=  2ATP).       3. Reducció:   el   subproducte   de   la   fermentació   a   partir   del   piruvat   ens   permet   identificar  el  tipus  de  fermentació.     -­‐ Heterolàctica:   segueix   la   via   fosfoacetolasa,   els   productes   de   la   qual   són   àcid   làctic,   etanol   i   CO2.   És   pròpia   de   Leuconostoc   i   alguns   Lactobacillus.   -­‐ Homolàctica:   segueix   la   via   de   la   glicòlisis   (lactat).   Transformen   el   piruvat,   a   través   de   la   lactat   deshidrogenasa   a   lactat   amb   l’ús   de   NADH.  És  pròpia  de  Streptococcus  i  alguns  Lactobacillus.     -­‐ Alcohòlica:   el   piruvat   deriva   és   descarboxilat   (piruvat   descarboxilasa)   donant   lloc   a   acetaldehid   i   CO2.   Gràcies   a   l’acció   de   l’alcohol   deshidrogenasa   i   la   participació   de   NADH;   l’acetaldehid   deriva   a   etanol,   producte   final   característic   de   la   fermentació   alcohòlica.  És  propi  de  llevats.     -­‐ Àcid-­‐mixta:   el   piruvat   dóna   lloc   a   acetat   i   format   per   l’acció   de   la   piruvat  format  liasa.  Per  l’acció  de  la  piruvat  hidrogen  liasa  l’acetat  i  el   format   donen   lloc   a   hidrogen   i   CO2.   És   pròpia   de   Proteus,   Shigella,   Salmonella,  Escherichia.           No   únicament   els   sucres   (glucosa)   són   capaços   de   donar   ATP   per   fosforilació   a   nivell   de   substrat.   També   es   poden   fosforil·lar:   aminoàcids,   purines,   pirimidines,   alcohols  i  alguns  àcids.  Els  àcids  greixos  no,  es  veu  que  són  molt  poc  rendibles.     Un  exemple:     -­‐ Fermentació  butilenglicòclica:  pròpia  de  l’Enterobacter  Klebsiella   -­‐ Fermentació  butírica:  Caracteritzada  pel  butirat.  Pròpia  de  Clostridium.     -­‐ Fermentació   propiònica:   caracteritzada   pel   propionat.   És   pròpia   de   Proppionibacterium.       La   capacitat   fermentadora   de   substrats   orgànics   s’utilitza   en   el   diagnòstic     microbiològic.     Els  fermentadors  de  sucres  sempre  acidifiquen  el  medi.  Si  un  microorganisme  que   només  fosforil·la  lactosa  varia  de  color  gris  a  rosa  fúxia,  significa  que  el  medi  s’ha   tornat  àcid;  a  causa  de  la  fermentació  de  la  lactosa.     Hi  ha  diverses  proves  bioquímiques  basades  en  aquests  criteris  de  fermentació  que   serveixen   per   identificar.   Molt   important   en   bacteris.   Pel   que   fa   als   fongs,   no   ajuda   massa  a  identificar-­‐los  aquests  estudis  sobre  el  producte  fermentat.     L’anabolisme  és  el  conjunt  de  reaccions  de  síntesis   Requereix  energia  per  a  transportar  els  nutrients  i  per  a  construir  macromolècules   (biosíntesis).         Hi  ha  diferents  tipus  de  transport  en  bacteris:       -­‐ Difusió   passiva:  transport  a  favor  de  gradient,  és  a  dir,  no  usa  energia.  No   varia  la  molècula  transportada.  Propi  de  molècules  de  baix  pes  molecular  i   sense  càrrega.     -­‐ Difusió   facilitada:   transport   a   favor   de   gradient.   La   diferència   amb   la   passiva   és   la   necessitat   de   transportadors   específics,   que   ajuden   a   introduir   la   molècula   augmentant   la   velocitat   del   procés.     Tampoc   varia   la   molècula   transportada.   -­‐ Transport   actiu:   és   un   transport   en   contra   de   gradient   que   requereix   de   transportadors  específics.     Ve   donat   per   les   permeases,   proteïnes   situades   a   la   membrana   citoplasmàtica.   N’hi   ha   un   gran   nombre   perquè   són   molt   específiques   de   substrat.   La   molècula   pot   passar   per   un   canal   que   es   conforma   entre   els   dominis  de  la  proteïna  fins  a  l’interior  de  la  cèl·lula.  Generalment  hi  ha  una   certa   regulació   en   que   hi   hagi   permeases   en   funció   de   la   presència   de   substrat,  una  manera  d’estalviar  energia  del  bacteri.     Trobem  diferents  tipus:     -­‐ Uniporter:  no  requereix  que  una  molècula  entri  o  surti  amb  ell   -­‐ Simporter:  requereix  d’un  element  que  entri  amb  ell     -­‐ Antiporter:   per   tal   que   surti   una   molècula   de   la   cèl   ha   d’entrar   una  molècula  a  la  cèl.                         -­‐ Translocació   de   grup:   és   un   transport   que   requereix   energia   i   un   transportador  específic.  Únic  tipus  que  modifica  la  molècula  transportada.     Un   exemple   és   la   fosfotransferasa   de   E.   Coli,   el   més   estudiat.   Són   cinc   proteïnes   en   contacte   les   unes   amb   les   altres.   Hi   ha   una   fosforilació   induïda   pel   fosfenolpiruvat   PEP   que   passarà   seqüencialment   entre   aquestes   proteïnes  fins  a  la  glucosa.  Enzim  1,  HPr  i  una  part  de  l’enzim  2  (enzim  2A)   es   situen   a   nivell   citoplasmàtic.   Enzim   2B   i   2C   entren   en   contacte   amb   la   membrana.  L’enzim  1  i  HBR  no  són  específics  pel  sucre  mentre  que  l’enzim   2   sí   és   específic   de   la   molècula   (sucre).     Amb   la   fosforilació   de   la   glucosa,   aquest  sucre  aconsegueix  entrar  a  la  cèl·lula.       IN         Una  altra  part  important  del  metabolisme  és  la  regulació   de   l’activitat   i   la   síntesi   d’enzims,  afavorint  l’estalvi  d’energia.     Hi   ha   diferent   possibilitats   de   regulació.   Podem   regular   l’activitat   enzimàtica   evitant  el  pas  de  substrat  a  producte,  és  la  resposta  més  ràpida  i  la  que  estudiarem.   També  hi  ha  regulacions  traduccionals,  evitant  la  creació  de  l’enzim,  i  regulacions   transcripcionals,  evitant  que  es  creí  el  mRNA.       Maneres  de  regular  l’activitat  enzimàtica:     -­‐ Retroalimentació   negativa:   inhibeix   l’activitat   enzimàtica.   Gràcies   a   l’al·losterisme,   l’enzim   té   un   centre   actiu  i  un  centre  regulador.  Al  centre  regulador  s’hi  uneix   el  producte  final  de  l’activitat  de  l’enzim  inicial  de  manera   no   covalent   induint   un   canvi   de   formació   i   traient-­‐li   la   capacitat  funcional.       -­‐ Complex   de   rutes   amb   branques:   tot   i   que   diferents   productes   finals   deriven   d’una   mateixa   molècula   (DAHP).   Els   productes   finals   inhibeixen   cada   u   un   centre   regulador   diferent   de   l’enzim.   Si   treballen   totes   tres   isoformes   tindrem   nivells   de   tots   tres   aminoàcids.   Si   en   treballen  dues  o  una  els  nivells  es  reduiran,   en  altres  paraules,  tindrem  presents  els  tres   productes  finals  però  en  menor  quantitat.       Regulació  de  la  síntesi  enzimàtica:  l’operó.     És  un  conjunt  de  gens  exclusivament  procariòtic  sense  una  zona  intergènica  entre   gen  i  gen.  Dóna  lloc  a  diferents  enzims  però  tots  implicats  en  el  metabolisme  de  la   mateixa   molècula;   la   galactosa,   per   exemple.   És   a   dir,   sintetitza   diferents   enzims   englobats   en   una   mateixa   funció.   Tots   els   operons   estan   regulats   de   la   mateixa   manera  i  el  mateix  moment.     Té  una  regió  reguladora  que  coneixem  com  operador.     Regulació  d’un  operó  catalític:   -­‐ Si   no   hi   ha   sucre   en   l’ambient   hi   ha   una   proteïna   repressora   (repressor)   associada   específicament   a   l’operador   que   impedeix   l’activitat   de   la   RNA   polimerasa  (bloqueja  la  transcripció)  associada  al  promotor.       -­‐ En   canvi,   en   presència   de   sucre   en   el   medi   hi   ha   un   inductor   que   s’uneix   amb   gran   afinitat   al   repressor   variant-­‐ne   la   conformació   fent   que   perdi   l’afinitat   per   l’operador   i   permet   l’activitat   de   la   RNA   polimerasa   (hi   ha   transcripció).   L’inductor   pot   ser   el   mateix   sucre   o   una   molècula   que   detecta   els  nivells  de  sucre.         Una   prova   d’aquest   fet   és   que   en   presència   de   lactosa   augmenta  la  proteïna  beta  galactosidasa.   És   a   dir,   la   lactosa   actua   com   a   inductor   promovent   la   dissociació  entre  la  l’operador  i  el  repressor,  habilitant  el   pas  de  la  RNA  polimerasa,  la  transcripció.       Regulació  d’un  operó  biosintètic.     -­‐ De  manera  fisiològica  el  repressor  està  dissociat  de  l’operador  permetent  la   transcripció.             -­‐ Quan   hi   ha   alts   nivells   del   producte   final   s’uneix   al   repressor   actuant   com   un   corepressor.   Aquest   complex   promou   l’associació   amb   l’operador   i   impedeix  la  transcripció.         Una   prova   d’aquest   fet,   l’obtenim   en   un   estudi   amb   arginina.     Quan  afegim  arginina  es  redueixen  els  nivells  d’aquesta,  ja   que  actua  com  a  corepressors  promovent  l’associació  entre   l’operador  i  el  repressor.         El   concepte   d’operó   també   és   aplicable   a   l’expressió   de   gens   implicats   en   la   virulència  bacteriana,  com  les  fímbries,  les  càpsules  o  les  toxines.     La  virulència  està  regulada  per  les  condicions  ambientals.       El  sistema  regulador  consta  de  dos  components:  inclou  un   sensor   que   detecta   la   presència   de   determinades   molècules   en   l’ambient   i   una   proteïna   reguladora   a   nivell   intercel·lular.   La   interacció   entre   el   sensor   i   la   proteïna   reguladora   pot   ser   activadora   o   inhibidora   de   la   síntesi   o   activitat  enzimàtica.       És  un  mecanisme  de  resposta  a  canvis  bàsic  que  succeeix  en   diferents  situacions,  per  exemple:   -­‐ Assimilació  nitrogen  E.  coli   -­‐ Fixació  del  nitrogen  Klebsiella,  Rhizobium   -­‐ Esporulació  Bacillus   -­‐ Assimilació  del  fòsfor   -­‐ Resposta  a  pressió  osmòtica   -­‐ Quimuiotaxis  i  moviment  flagel·lar   ...