MICROBIOLOGIA TEMA 12 (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biotecnología - 2º curso
Asignatura Microbiologia
Año del apunte 2014
Páginas 16
Fecha de subida 20/11/2014
Descargas 16
Subido por

Vista previa del texto

MICROBIOLOGIA 2º CURS DE BIOTECNOLOGIA BLOC 3. FISIOLOGIA I METABOLISME TEMA 12. CATABOLISME: QUIMIOORGANÒTROFS – RESPIRACIÓ AERÒBICA I ANAERÒBICA 12.1 Respiració aeròbica En presència d’O2, el piruvat pot ser oxidat a CO2 en comptes de ser reduït a productes de fermentació. Quan el piruvat és oxidat a CO2, és possible produir una major quantitat d’ATP.
L’oxidació en presència d’O2 com a acceptor final d’electrons s’anomena respiració aeròbica, en canvi, l’oxidació que fa servir altres acceptors finals d’electrons sota condicions anòxiques s’anomena respiració anaeròbica.
Podem dividir la respiració aeròbica en tres parts. A la primera, les molècules de grans nutrients (proteïnes, polisacàrids i lípids) són hidrolitzades o dividides en els seus constituents. Les reaccions químiques d’aquesta fase no alliberen gaire energia. Els aminoàcids, monosacàrids, àcids grassos, glicerol i altres productes de la primera fase són degradats a molècules encara més simples en la segona fase. Normalment es formen els metabòlits com el coenzim A i el piruvat. A més a més, durant la segona fase es produeix ATP com també NADH o FADH 2. Finalment durant la tercera etapa del catabolisme, els carbonis parcialment oxidats, són transferits al cicle dels àcids tricarboxílics i oxidats completament a CO2 amb la producció d’ATP, NADH i FADH2. La major part de l’ATP derivat de la respiració aeròbica prové de l’oxidació del NADH i FADH 2 a la cadena de transport electrònic.
En la respiració aeròbica es produeixen dos processos fonamentals. Per una banda, les reaccions REDOX, que van transferint els electrons des del compost orgànic fins a l’acceptor terminal d’electrons gràcies als sistemes transportadors d’electrons ( transport d’àtoms d’H implica electrons transportats i protons bombejats). A més a més, en la cadena de transport d’electrons, es bombegen protons a l’exterior generant una força motriu de protons, que serà utilitzada per l’ATPasa per a sintetitzar ATP. Per altra banda, hi ha un flux de carboni, on les vies bioquímiques implicades transformen el carboni orgànic a CO2.
12.1.1 Sistemes transportadors d’electrons El transport d’electrons és un procés membranal i té dues funcions bàsiques. La primera, facilita el transport d’electrons des del donador primari a l’acceptor terminal, i la segona, participa en esdeveniments de membrana on el resultat final és la conservació d’energia, que després es farà servir per a la síntesi d’ATP.
Hi ha diferents tipus d’enzims d’oxidació-reducció que participen en el transport: - - NADH deshidrogenases, proteïnes unides a la cara interna de la membrana citoplasmàtica. Presenten un centre actiu que uneix NADH i accepta 2 electrons més 2 protons (2 e- + 2 H+) quan el NADH s’oxida a NAD+, aquests electrons i protons són transferits a: Flavoproteïnes, que contenen un derivat de la vitamina riboflavina. La porció de flavina, que es troba unida a una proteïna, és un grup prostètic que és reduït quan accepta 2 electrons i 2 protons, i s’oxida quan passa 2 electrons ( els protons no són transferits a cap transportador) al següent transportador: BLOC 3. FISIOLOGIA I METABOLISME TEMA 12. CATABOLISME: QUIMIOORGANÒTROFS – RESPIRACIÓ AERÒBICA I ANAERÒBICA - - Citocroms, que són proteïnes que contenen un grup prostètic hemo. Els citocroms es van oxidant i reduint a través de la pèrdua o guany d’un sol electró gràcies a l’àtom de feror del grup hemo.
Les proteïnes unides a ferro i sofre com els citocroms només transporten electrons.
Les quinones són molècules hidrofòbiques relacionades amb la vitamina K que els manca un component proteic. Com que són petites i hidrofòbiques, les quinones són lliures de moure’s en la membrana. Com les flavoproteïnes, accepten 2 electrons i 2 protons però nomes transfereixen 2 electrons al següent transportador.
La conservació de l’energia (síntesi d’ATP) a partir de la fosforilació oxidativa està lligada a un estat energètic de la membrana, establert per reaccions de transport electrònic (REDOX) entre els transportadors anteriors. Aquests es troben orientats en la membrana citoplasmàtica de manera que, quan els electrons són transportats, els protons són separats dels electrons.
Dos electrons i dos protons entren en la cadena de transport electrònic com a NADH a través de la NADH deshidrogenasa per iniciar el procés. Els transportadors es troben ordenats per ordre de potencial de reducció creixent, amb el transportador final de la cadena que dona els electrons i protons a l’acceptor final com l’O2.
Figura 12.1 BLOC 3. FISIOLOGIA I METABOLISME TEMA 12. CATABOLISME: QUIMIOORGANÒTROFS – RESPIRACIÓ AERÒBICA I ANAERÒBICA El recorregut dins de la cadena de transport electrònic és el següent: 1- El complex I (NADH: quinona oxidoreductasa), on el NADH dóna electrons al FAD i el FADH2 dóna electrons a la quinona.
2- El complex II (complex succinat deshidrogenasa), bypassa el complex I i passa electrons i protons del FADH2 directament a la quinona (cicle Q).
3- El complex III (complex citocrom bc1), transfereix els electrons de les quinones als citocroms a i a3 4- El complex IV (citocroms a i a3) que és una oxidasa terminal, redueix l’O2 a H2O.
Les cadenes de transport són diferents entre els diferents organismes, però tenen en comú que estan ordenats per ordre de Eº i es genera una força motriu de protons.
Durant el transport d’electrons, els protons són expulsats a la superfície externa de la membrana, a mesura que els electrons són transportats al final de la cadena. Aquests són originats pel NADH i la dissociació de l ‘aigua en H+ i OH- al citoplasma. Com a resultat d’aquesta separació, els dos costats presenten diferent càrrega i pH, generat un potencial electroquímic. Això genera la força motriu de protons que part es conservada en forma d’ATP. Però, aquesta força pot ser utilitzada en altres formes de treball, com el transport d’ions, la rotació flagel·lar,...
12.1.2 Fosforilació oxidativa i síntesi d’ATP Existeix un fort vincle ( fortament acoblats) entre els mecanismes de síntesi d’ATP i la cadena de transport electrònic. La força motriu de protons generada per la cadena de transport d’electrons s’utilitza per sintetitzar ATP mitjançant un gran complex proteic anomenat ATPasa o ATP sintasa que consta de: - El complex F1 encarregat de dur a terme la funció de síntesi, situat a la cara citoplasmàtica de la membrana.
El complex F0 connectat al complex anterior, duu a terme la translocació d’ions (protons), travessant la membrana.
L’ATPasa és un petit motor biològic que catalitza la reacció irreversible entre ATP i ADP, aquesta síntesi d’ATP s’anomena fosforilació oxidativa si la força motriu prové de les reaccions de respiració.
BLOC 3. FISIOLOGIA I METABOLISME TEMA 12. CATABOLISME: QUIMIOORGANÒTROFS – RESPIRACIÓ AERÒBICA I ANAERÒBICA 12.1.3 Flux del carboni: El cicle dels àcids tricarboxílics (TCA) Estadi 1: Les molècules grans (polímers) són oxidats a molècules més petites i senzilles (monòmers) Estadi 2: Inici de l’oxidació del compostos orgànics i es degrada el piruvat, per diferents camins: La ruta Embden-Meyerhof en la respiració de la glucosa, segueix els mateixos passos bioquímics que en la glicòlisi (fermentació de la glucosa), la ruta de les pentoses fosfat o la ruta d’Entner-Doudoroff BLOC 3. FISIOLOGIA I METABOLISME TEMA 12. CATABOLISME: QUIMIOORGANÒTROFS – RESPIRACIÓ AERÒBICA I ANAERÒBICA Estadi 3: Es produeix l’oxidació i degradació del piruvat mitjançant el cicle dels àcids tricarboxílics (TCA).
La via per la qual el piruvat és completament oxidat a CO2 s’anomena el cicle de l’àcid cítric.
Mentre que en la fermentació alcohòlica o làctica de la glucosa només es produïen 2 ATP, en la respiració aeròbica de la mateixa molècula de glucosa es pot produir un total de 38 ATP (gran part produït pel NADH i el FADH2) i 6 molècules de CO2.
Rendiment energètic de la respiració aeròbica 1. Glicòlisi: Glucosa + NAD+  2 Piruvat + 2 ATP + 2 NADH a) Fosforilació a nivell de substrat 2 ADP + Pi  2 ATP 8 ATP b) Fosforilació oxidativa 2 NADH  6 ATP 2. CAC: Piruvat + 4 NAD+ + GDP + FAD  3 CO2 + 4 NADH + FADH2 + GTP a) Fosforilació a nivell de substrat 1 GDP + Pi  1 GTP (= 1 ATP) b) Fosforilació oxidativa 4 NADH  12 ATP 15 ATP (x 2) 1 FADH2  2 ATP Nota: És possible estimar el nombre d’ATP sintetitzar per NADH i FADH2 oxidat per la cadena de transport electrònic. Aquesta mesura es fa a partir de la relació fòsfor a oxigen (P/O) perquè mesura el nombre d’ATP (fòsfor) generat per oxigen (O) reduït. En el cas del NADH P/O = 3 (ATP generats) , mentre que el FADH2 peresenta una relació P/O = 2 (ATP generats).
BLOC 3. FISIOLOGIA I METABOLISME TEMA 12. CATABOLISME: QUIMIOORGANÒTROFS – RESPIRACIÓ AERÒBICA I ANAERÒBICA 12.2 Respiració anaeròbica La respiració anaeròbica és aquella que és dóna quan hi ha altres acceptors finals d’electrons en comptes de l’O2, com hem vist amb la respiració aeròbica.
Els bacteris que duen a terme la respiració anaeròbica presenten cadenes de transport electrònic amb les mateixes proteïnes que les que fan la respiració aeròbica. Aquestes cadenes contenen per tant, citocroms, quinones, proteïnes ferro-sulfur, flavoproteïnes, entre d’altres.
En alguns microorganismes, com els bacteris desnitrificants, que en la seva majoria són facultatius, la respiració anaeròbica competeix amb la respiració aeròbica. Quan es troben en presència d’oxigen, els bacteris respiren aeròbicament, degut a que els gens que codifiquen pels enzims de la respiració anaeròbica són reprimits per aquest gas. Tanmateix, quan es troben en absència d’oxigen, la seva respiració és anaeròbica, i els enzims que abans eren reprimits, ara ja són actius.
En altres casos, com en els microorganismes anaeròbics estrictes, la respiració anaeròbica és obligada i no poden fer servir l’oxigen, que fins i tot els pot resultar tòxic.
Energèticament, l’energia alliberada en l’oxidació d’un donador d’electrons amb l’oxigen com a acceptor d’aquests, és més gran que si el mateix compost s’oxidés fent servir un altre acceptor perquè el potencial de reducció (E0) d’aquest és menys positiu que el E0 de l’O2. Això fa que els anaeròbics facultatius prefereixin fer servir l’oxigen quan aquest hi és present.
L’energia alliberada de les reaccions redox es pot determinar comparant els potencials de reducció de cada acceptor d’electrons.
BLOC 3. FISIOLOGIA I METABOLISME TEMA 12. CATABOLISME: QUIMIOORGANÒTROFS – RESPIRACIÓ AERÒBICA I ANAERÒBICA 12.2.1 Reducció desassimiladora del nitrat i desnitrificació Nota important: No s’ha de confondre la reducció del nitrat (en petites quantitats) per a donar compostos que més tard serviran com a font de N (síntesi – anabolisme), és a dir un metabolisme assimilatiu, amb la reducció del nitrat (en grans quantitats) amb l’objectiu d’obtenir ENERGIA per donar productes que seran excretats, és a dir un metabolisme desassimilatiu.
Metabolisme assimilatiu i desassimilatiu Compostos inorgànics com el NO3—, SO42— i CO2 són reduïts per molt microorganismes com a fonts de nitrogen, sofre, carboni,... Els productes finals d’aquestes reduccions són grups amino, sulfhidril o compostos orgànics del carboni. Quan compostos inorgànics com el NO 3—, SO42— i CO2 són reduïts per a la biosíntesi, és diu que són assimilats, i el procés de reducció s’anomena metabolisme assimilatiu. En canvi, quan els compostos anteriors són reduïts com a acceptors d’electrons per a l’obtenció d’energia, el procés s’anomena metabolisme desassimilatiu.
Aquests dos metabolismes difereixen entre ells en el fet que en el metabolisme assimilatiu es consumeix una quantitat suficient com per satisfer les necessitats biosintètiques del microorganisme, mentre que en el metabolisme desassimilatiu es redueix una gran quantitat d’acceptor d’electrons.
Reducció desassimiladora del nitrat Un dels acceptors d’electrons alternatiu més habitual és el nitrat que es pot reduir a nitrit, NO, N 2O i N 2.
L’enzim que catalitza el primer pas de la reducció desassimiladora del nitrat és la nitrat reductasa, la síntesi del qual és reprimida per la presència d’oxigen encara que hi sigui present el NO3—. Tots els enzims posteriors de la via estan regulats de manera coordinada i per aquest motiu també es veuen reprimits per l’oxigen. Però en condicions anòxiques, el NO3— ha de ser- BLOC 3. FISIOLOGIA I METABOLISME TEMA 12. CATABOLISME: QUIMIOORGANÒTROFS – RESPIRACIÓ AERÒBICA I ANAERÒBICA hi present abans que els enzims estiguin completament expressats. Raó per la qual la majoria de procariotes desnitrificants són fisiològicament aerobis facultatius.
En processos desassimilatius, la reducció de nitrat a productes gasosos s’anomena desnitrificació, amb una importància significativa, perquè la desnitrificació consumeix una quantitat fixa de nitrogen i produeix compostos gasosos nitrogenats, alguns dels quals són d’importància mediambiental, on la desnitrificació és la principal font biològica de N 2 gasós.
Respiració aeròbica: Reducció del nitrat: Desnitrificació: La reducció anaeròbica del nitrat fa que aquest no estigui disponible per a l’assimilació i la captació, ja que els productes reduïts són excretats i per tant no poden ser absorbits, en al cas dels gasos es difonen a l’ambient.
12.2.1 Reducció del sulfat i del sofre Diferents compostos inorgànics del sofre són acceptors d’electrons importants a la respiració anaeròbica. El sulfat SO42—, la forma més oxidada del sofre, és l’anió més important en l’aigua de mar i és reduït pels bacteris reductors del sofre, un grup força distribuït a la natura. El producte final de la reducció és el sulfur d’hidrogen H2S.
Com en el cas del nitrogen, en la reducció del sulfat existeix un metabolisme assimilatiu i desassimilatiu. En el metabolisme deasassimilatiu (obtenció d’energia), com es pot veure en la taula de potencials de reducció, el SO42— és pitjor acceptor d’electrons que l’O2 o NO3—, però alliberant suficient energia lliure com per produir ATP.
BLOC 3. FISIOLOGIA I METABOLISME TEMA 12. CATABOLISME: QUIMIOORGANÒTROFS – RESPIRACIÓ AERÒBICA I ANAERÒBICA Bioquímica de la reducció del sulfat i formes del sulfat activat La reducció de SO42- a H2S requereix vuit electrons i transcorre a través d’una sèrie d’etapes intermèdies. Com que el sulfat és químicament estable, no pot ser reduït sense una prèvia activació, aquesta consisteix en una reacció que requereix ATP.
Reducció disassimilativa del sulfat Reducció assimilativa del sulfat L’enzim ATP sulfurilasa catalitza la unió del SO42— a un fosfat de l’ATP formant l’adenosina fosfosulfat (APS), que en la reducció desassimilativa es redueix a SO32— amb l’alliberament d’AMP, mentre que en la reducció assimilativa és necessari l’addició d’un segon ATP, formant la fosfoadenosinafosfosulfat (PAPS), per després poder-se reduir.
Durant la reducció desassimilativa del sofre, les reaccions de transport d’electrons (REDOX) porten a la generació d’una força motriu de protons que serà utilitzada per a la síntesi d’ATP. El principal transportador d’electrons en aquest procés és el citocrom c3, una proteïna periplàsmica. El citocrom c3 accepta els electrons d’una hidrogenasa periplàsmica (H2asa) que després transferirà a un complex transmembranal anomenat Hmc. El comples Hmc transporta els electrons a través de la membrana citoplasmàtica, per deixar-los disponibles a l’APS reductasa i sulfit reductasa, uns enzims citoplasmàtics que generen sulfit (SO 32—) i sulfur (H2S), respectivament.
BLOC 3. FISIOLOGIA I METABOLISME TEMA 12. CATABOLISME: QUIMIOORGANÒTROFS – RESPIRACIÓ AERÒBICA I ANAERÒBICA Transport d’electrons i conservació de l’energia en bacteris reductors del sulfat Molts compostos diferents poden servir com a donadors d’electrons en la reducció del sulfat, com per exemple, H2, compostos orgànics, fosfits... Tal i com veiem a la figura, tant el lactat com el piruvat, si actuen com a donadors d’electrons alliberaran més energia que l’H 2 actuant com a únic donador d’electrons. Això es deu a que tant el lactat com el piruvat, s’oxiden a actetat i CO2 alliberant energia.
Taula 12.1 Compostos del sofre i donadors d’electrons per a la reducció del sofre BLOC 3. FISIOLOGIA I METABOLISME TEMA 12. CATABOLISME: QUIMIOORGANÒTROFS – RESPIRACIÓ AERÒBICA I ANAERÒBICA Diversitat metabòlica de la reducció del sulfat (1) La reducció de sulfat és un procés anaeròbic dut a terme per microorganismes anaeròbics estrictes.
(2) Podem fer una classificació segons com s’obté l’energia per respiració en: - Quimiolitotròfia (gairebé tots els bacteris sulfat reductors): 4 H2 + SO42- + H+ HS- + 4 H2O 4 HPO42- + SO42- + H+  4 HPO42- + HS- ( només Desulfotignum phosphitoxidans) - Quimioorganotròfia ( molts sulfats reductors): Acetat + SO42- + 3 H+  2 CO2 + H2S + 2 H2O (3) Font de carboni - Heterotròfia ( molts sulfats reductors) - Autotròfia ( alguns sulfat reductors): El mecanisme per a l’oxidació de l’acetat en la majoria d’espècies es la via de l’acetilCo A, una sèrie de reaccions irreversibles utilitzada per microorganismes anaeròbics per la síntesi d’acetat o la seva oxidació. Aquesta via fa servir l’enzim clau monòxid de carboni deshidrogenasa. Uns pocs bacteris sulfat reductors poden créixer autotròficament amb H2. Quan creixen sota aquestes condicions , els microorganismes fan servir la via de l’aceil-CoA per incorporar el CO2 al material cel·lular: H2 + SO42- + CO2 12.2.1 Acetogènesi i metanogènesi El diòxid de carboni és comú a la natura i abundant en els hàbitats anòxics degut a que és el producte majoritari en el metabolisme energètic dels quimioorganòtrofs. Hi ha dos grans grups de procariotes anaeròbics estrictes que fan servir el CO2 com a acceptor d’electrons. Un d’ells són els acetògens i el segon són els metanògens.
L’H2 és el principal donador d’electrons per ambdós grups de microorganismes: BLOC 3. FISIOLOGIA I METABOLISME TEMA 12. CATABOLISME: QUIMIOORGANÒTROFS – RESPIRACIÓ AERÒBICA I ANAERÒBICA Acetogènesi Els microorganismes acetògens porten a terme la següent reacció: 4 H2 + H+ + 2 HCO3—  CH3COO— + 4 H2O A més a més de l’H2, altres donadors d’electrons serien compostos d’un carboni, sucres, aminoàcids, àcids orgànics, alcohols i certes bases nitrogenades. Molts microorganismes acetogènics poden reduït també el nitrat (NO3—) i el tiosulfat (S2O32—) Els acetògens redueixen el CO2 a acetat mitjançant la via de l’acetil-CoA, la principal via pels anaerobis obligats per la producció o oxidació d’acetat.
Diversitat metabòlica dels acetogènics (1) La majoria de bacteris acetogènics que produeixen i excreten acetat en el metabolsime energètic són grampositius (molts són espècies de Clostridium i Acetobacterium) (2) Es tracta d’un procés anaeròbic ( dut a terme per anaeròbics estrictes) (3) L’obtenció d’energia usant CO2 com acceptor extern la realitzen per la via de l’Acetil-CoA (via de Ljungdahi-Wood).
- Quimiolitrotròfia: Quan l’hidrogen actua com a donador d’energia 4 H2 + H+ + 2 HCO3  CH3COO- + 2 H2O - Quimioorganotròfica: Quan es tracta de donadors orgànics d’energia com compostos d’un C, sucres, aminoàcids, àcids orgànics, bases nitrogenades, etc…  Respiració: Quan redueixen el CO2 a acetat (+1)  Fermentació: Reduint el CO2 produït durant la conversió de piruvat a acetat (+2), en la glicòlisi. En total es formen 3 acetats (1+2): C6H12O6  3 CH3COO-+ 3 H+ (4) Font de carboni - Heterotròfia (molts homoacetogènics) - Autotròfia (alguns homoacetogènics) a través de la via de l’acetil-CoA, que ara funciona com a via anabòlica.
Via de l’acetil-CoA: fixació de CO2 i obtenció d’energia La via de l’acetil-CoA per a la fixació del CO2 no és un cicle. En comptes d’això, la reducció del CO2 es fa a través de dues vies lineals, que més tard es combinaran al final per formar l’acetil-CoA.
BLOC 3. FISIOLOGIA I METABOLISME TEMA 12. CATABOLISME: QUIMIOORGANÒTROFS – RESPIRACIÓ AERÒBICA I ANAERÒBICA Un enzim clau en la via de l’acetil-CoA és la CO (monòxid de carboni) deshidrogenasa que conté metalls com Ni (Níquel), Fe (Ferro), Zn (Zinc) com a cofactors. La CO deshidrogenasa catalitza la reacció: CO2 + H2  CO + H2O El CO produït acaba formant el carboni carbonil de l’acetat.
Conservació de l’energia a l’acetogènesi La conservació de l’energia a l’acetogènesi és produeix amb: una fosforilació a nivell de substrat duant la conversió d’acetil-CoA a acetat, i la fosforilació de l’ADP gràcies a la força motriu de Na+. En la síntesi neta d’ATP, només seria la força motriu de sodi, la generadora neta d’ATP, ja que el que es genera durant la fosforilació a nivell de substrat es consumeix en la primera etapa del procés.
Metanogènesi La metanogènesi és la producció biològica de metà que duen a terme per un grup microorganismes anaerobis estrictes, anomenats arquees. La principal via de formació del meta (CH4) és la reducció del CO2 per l’H2. La metanogènesi és una única sèrie de reaccions bioquímiques que fa servir nous coenzims.
La metanogènesi a partir de CO2 requereix l’entrada de vuit electrons, afegits 2 a 2. Els coenzims en aquest procés poden dividir-se en dos grups. El primer està format per aquells coenzims que porten molècules d’un C, i el segon format per aquells coenzims donadors d’electrons (o REDOX): BLOC 3. FISIOLOGIA I METABOLISME TEMA 12. CATABOLISME: QUIMIOORGANÒTROFS – RESPIRACIÓ AERÒBICA I ANAERÒBICA La forma oxidada del coenzim F420 absorbeix llum a una longitud d’ona de 420 nm i presenta una fluorescència al blau-verd.
Diversitat metabòlica dels metanogènics (1) L’obtenció d’energia usant el CO2 com a acceptor extern d’electrons es pot produir gràcies a enzims especials.
- Quimiolitotròfia: L’hidrogen com a donador d’energia - Quimioorganotròfia: Donadors orgànics d’energia. Substrats metílics (metanol) i acetotròfics ( acetat i priuvat).
 Respiració  Fermentació (2) Font de carboni - Heterotròfia - Autotròfia a través d’un acoblament entre part de la via de l’acetil-CoA i la metanogènesi.
BLOC 3. FISIOLOGIA I METABOLISME TEMA 12. CATABOLISME: QUIMIOORGANÒTROFS – RESPIRACIÓ AERÒBICA I ANAERÒBICA Metanogènesi a partir de CO2 més H2: H2 és el principal donador d’electrons Metanogènesi a partir de metanol i acetat: però existeixen donadors addicionals d’electrons.
Com per exemple el format, el CO, compostos orgànics...
Reducció del metanol a CH4 Reducció de l’acetat a CH4 ...