MICROBIOLOGIA TEMA 11 (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biotecnología - 2º curso
Asignatura Microbiologia
Año del apunte 2014
Páginas 9
Fecha de subida 17/11/2014
Descargas 16
Subido por

Vista previa del texto

      MICROBIOLOGIA   2º  CURS  DE  BIOTECNOLOGIA                                       BLOC  3.  FISIOLOGIA  I  METABOLISME      TEMA  11.  CATABOLISME:  QUIMIOORGANÒTROFS  -­‐  FERMENTACIÓ     11.1  Com  es  genera  i  conserva  l’ATP?   11.1.1  Quimiotròfia   Els   quimiòtrofs   obtenen   l’energia   a   partir   de   l’oxidació   de   compostos   químics   (orgànics   o   inorgànics).  En  aquests  organismes,  la  síntesi  d’ATP  està  acoblada  a  l’alliberament  d’energia  en   les  reaccions  d’oxido-­‐reducció  (REDOX).  Existeixen  dues  modalitats  d’oxidació,  en  funció  de  la   presència  o  absència  d’un  acceptor  d’e-­‐  extern:    -­‐  Fermentacions:  És  la  oxidació  que  es  produeix  en  absència  d’un  acceptor  d’e-­‐  extern.   La   síntesi   d’ATP   està   lligada   a   una   fosforilació   a   nivell   de   substrat,   és   a   dir,   l’ATP   es   forma   directament   d’un   intermediari   (fosforilat)   ric   en   energia   durant   els   passos   del   catabolisme  d’un  compost  orgànic.    -­‐  Respiracions:  És  la  oxidació  que  es  duu  a  terme  en  presència  d’un  acceptor  final  d’e-­‐   extern,  com  O2  o  alguna  altra  substància  oxidativa.  En  aquest  cas,  la  síntesi  d’ATP  està   lligada  a  una  fosforilació  oxidativa,  que  es  produeix  gràcies  a  la  força  motriu  de  protons.   11.1.2  Fototròfia   Els   microorganismes   no   obtenen   l’energia   només   de   l’oxidació   de   compostos   orgànics   o   inorgànics,  sinó  també  de  la  llum,  que  capturen  i  fan  servir  per  a  la  síntesi  d’ATP  (basat  en  la   força  motriu  de  protons)  i  poder  reductor.  El  procés  pel  qual  l’energia  lluminosa  es  atrapada  i   convertida  en  energia  química  s’anomena  fotosíntesi.  Normalment,  un  organisme  fotosintètic   redueix   i   incorpora   CO2.   La   fotosíntesi   proporciona   a   aquests   organismes,   ATP   i   el   poder   reductor  necessaris  per  sintetitzar  el  material  orgànic  requerit  per  al  creixement.     Reacció  de  fosforilació  de  l’ATP:          Fosforilació   AMP-­‐P  +    Pi                                                            AMP~P≈P                 E         BLOC  3.  FISIOLOGIA  I  METABOLISME      TEMA  11.  CATABOLISME:  QUIMIOORGANÒTROFS  -­‐  FERMENTACIÓ     Quimiotròfia       Microorganisme   Mecanisme   Posició   Lloc   Transferència  e-­‐   Transferència  E   Rendiment     Fosforilació  oxidativa   Fotofosforilació   Quimioorganòtrofs   Quimiolitòtrofs   Respiració   Vectorial     (orientat  en  l’espai)   Fotòtrofs   Fotosíntesi   Vectorial   (orientat  en  l’espai)   Lligat  a  la  membrana   Cadena  transportadora  e-­‐   Cadena  transportadora  e-­‐   Cadena  transportadora  e-­‐   Força  motriu  de  H+     -­‐Síntesi  ATP   -­‐  Transport  de  nutrients   -­‐  Translocació  de  proteïnes   -­‐  Moviment  flagel·∙lar   1  glucosa/  38  ATP   Força  motriu  de  H+     -­‐  Síntesi  ATP   -­‐  Transport  de  nutrients   -­‐  Translocació  de  proteïnes   -­‐  Moviment  flagel·∙lar     11.2  Conservació  de  l’energia:  quimiotròfia   Esquemes  generals  de  la  respiració  i  fermentació     Respiració   Cadena  de  transport  electrònic     O2   e-­‐       Font  d’electrons  i     energia  orgànica   FMP   Respiració   Aeròbica   ATP   e-­‐       Àtoms  de   C       Fosforilació  a  nivell  de   substrat   Alguns   Quimioorganòtrofs   Fermentació   Procés  escalar     (lliure)   Citoplasma   (enzims  solubles)   Intermediaris  no   fosforilats  rica  en  E   (coenzims:  NAD+)   Intermediaris   metabòlics  amb  P   covalent  (acil-­‐fosfat)       -­‐Síntesi  ATP   1  glucosa/  2  ATP   Fototròfia   Cadena  de  transport  electrònic   etc.   CO2       ADP   SO42-­‐,  NO3,   CO2,  fumarat,   ATP   Biosíntesi   Respiració   Anaeròbica         BLOC  3.  FISIOLOGIA  I  METABOLISME      TEMA  11.  CATABOLISME:  QUIMIOORGANÒTROFS  -­‐  FERMENTACIÓ     Fermentació       Biosíntesi   Font  d’electrons  i   energía  orgància   Atoms  de  C   ADP     ATP   e-­‐     Acceptors   d’electrons   endògens  (p.  ex:   àc.  Pirúvic)         Productes  de   fermentació   (p.  ex:  etanol,   H2,  àcid  làctic)     11.2.1  Quimioorganotròfia:  fermentacions   L’oxidació   completa   de   qualsevol   compost   orgànic   dóna   CO2   com   a   producte   final   +   energia,   conservada  en  forma  d’ATP.   L’energia  obtinguda  depèn  de  la  proximitat  del  nivell  d’oxidació  del  compost  al  del  CO2.   Fermentació   Un   organisme   es   troba   amb   dos   grans   problemes   quan   catabolitza   els   compostos   orgànics   amb   el   propòsit   de   conservar   l’energia:   La   síntesi   d’ATP   i   l’equilibri   redox,   en   el   cas   de   les   fermentacions:   En   termes   d’oxidació-­‐reducció   (equilibri   REDOX),   no   hi   ha   presents   acceptors   externs   dels   electrons   provinents   de   l’oxidació   dels   compostos   orgànics   donadors   d’electrons   (els   compostos  serveixen  tant  de  donadors  com  d’acceptors).   En  termes  de  mecanisme  de  síntesi  d’ATP  (conservació  de  l’energia),  la  fosforilació  és  a  nivell   de   substrat   amb   un   baix   rendiment   d’energia,   on   els   enllaços   fosfat   d’alta   energia   dels   intermediaris  orgànics  es  transfereixen  a  l’ADP:                   BLOC  3.  FISIOLOGIA  I  METABOLISME      TEMA  11.  CATABOLISME:  QUIMIOORGANÒTROFS  -­‐  FERMENTACIÓ     Producte  de   fermentació   Compost  orgànic     NAD+       NADH       Compost  ric  en   energia       Fosforilació  a  nivell   de  substrat   ADP   Compost  oxidat   ATP     Esquema  de  la  ruta  d’Embden-­‐Meyerhof  (Glucòlisi):   ATP              ADP  +  Pi   ATP              ADP  +  Pi       GLUCOSA   FRUCTOSA-­‐6-­‐P   GLUCOSA-­‐6-­‐P   FRUCTOSA-­‐1,6-­‐P   Etapa    1:  P   reparatòria     2  GLICERALDEHID-­‐3-­‐P     2  NAD+   2  Pi   2  NADH     2  1,3-­‐BIFOSFOGLICERAT   2  ADP  +  2  Pi       2  ATP   2      3-­‐FOSFOGLICERAT         2      2-­‐FOSFOGLICERAT       2  LACTAT     Etapa    3:  Reducció       2NAD+   2NADH   2  FOSFOENOLPIRUVAT   2  ADP  +  2Pi     2      ETANOL   2  ACETALDEHID   +  2  CO2   2  ATP   2    PIRUVAT   2NAD 2NADH   +   Etapa    2:  Oxidació         BLOC  3.  FISIOLOGIA  I  METABOLISME      TEMA  11.  CATABOLISME:  QUIMIOORGANÒTROFS  -­‐  FERMENTACIÓ   Fosforilació  a  nivell  de  substrat   La  ruta  s’inicia  amb  l’entrada  del  substrat  a  la  via  metabòlica  (p.  Ex:  la  via  glicolítica),  després   un   dels   intermediaris   d’aquesta   ruta   és   oxidat   per   un   coenzim   (ex:   NAD+),   donant   un   intermediari  fosforilat  amb  una  gran  energia  d’hidròlisi.  Aquest  intermediari  experimenta  una   substitució  amb  un  fosfat,  per  donar  la  corresponent  forma  acil-­‐fosfat.  Finalment,  aquest  acil-­‐ fosfat  dóna  el  seu  fosfat  d’alta  energia  a  l’ADP,  que  passa  a  ATP.   En  la  tercera  etapa,  l’acceptor  final  d’e-­‐  del  NADH  produït  a  la  glucòlisi  no  és  l’oxigen,  sinó  un   compost  orgànic  que  es  reduirà  per  a  reoxidar  el  NADH  a  NAD+.     A   més   a   més   de   les   fermentacions   comunes   (classificades   segons   els   productes   finals   de   les   fermentacions,   hi   ha   un   altre   tipus   de   fermentació   anomenada   fermentacions   poc   freqüents   (classificades   segons   el   substrat   fermentable).   Tot   seguit   es   mostra   una   taula   amb   un   resum   d’aquests  tipus,  a  més  a  més  d’exemples  amb  microorganismes  que  les  duen  a  terme:     Taula  1.  Fermentacions  bacterianes  comunes   Tipus   Alcohòlica   Reacció   Hexosa  à  2  etanol  +  2  CO2   Organismes   Llevats,  Zymomonas   Homolàctica   Hexosa  à  2  lactat  +  2  H+   Streptococcus,  alguns  Lactobacillus   Heterolàctica   Hexosa  à  lactat  +  etanol  +  CO2  +  H+   Leuconostoc,  alguns  Lactobacillus   Àcid  propiònic   3  Lactat  à  2  propionat  +  acetat  +  CO2  +  H2O   Propionobacterium,  Clostridium  propionium   Àcid  barrejat   Hexosa  à  etanol  +  2,3-­‐butandiaol  +  succinat  +   lactat  +  acetat  +  format  +  H2  +CO2   Bacteris  entèrics:  Escherichia¸  Salmonella,   Shigella,  Klebsiella,  Enterobacter   Àcid  butíric   Hexosa  à  butirat  +  2  H2  +  2  CO2  +  H+   Clostridium  butyricum   Butanol   2  Hexosa  à  butanol  +  acetona  +  5  CO2  +  4  H2   Clostridium  acetobutylicum   Caproat/Butirat   Acetogènic                 6  Etanol  +  3  acetat  à  3  butirat  +  caproat  +  2  H2   Clostridium  kluyveri   +  4  H2O+  H+   Fructosa  à  3  acetat  +  3  H+   Clostriudium  aceticum         BLOC  3.  FISIOLOGIA  I  METABOLISME      TEMA  11.  CATABOLISME:  QUIMIOORGANÒTROFS  -­‐  FERMENTACIÓ   Taula  2.  Fermentacions  bacterianes  poc  freqüents   Tipus   Acetilè   Reacció   C2H2  +  3  H2O  à  etanol  +  acetat  +  H+   Organismes   Pelobacter  acetylenicus   Glicerol   4  Glicerol  +  2  HCO3-­‐  à  7  acetat  +  5  H+  +  4  H2O   Acetobacterium  spp.   Resorcinol   (aromàtic)   Floroglucinol   (aromàtic)   2  C6H4(OH)2  +  6  H2O  à  4  acetat  +  butirat  +  5  H+   Clostridium  spp.   Putrescina   10  C4H12N2  +  26  H2O  à  6  acetat  +  7  butirat  +   20  NH4+  +  16  H2  +  13  H+   Pelobacter  massiliensis   Pelobacter  acidigallici   Anaerobis  grampositius  no  esporuladors  no   classificats   Citrat   Citrat  +2  H2O  à  format  +  2  acetat  +  HCO3-­‐  +  H+   Bacteroides  spp.   C6H6O3  +  3  H2O  à  3  acetat  +  3  H+   + Aconitat   Aconitat  +  H  +  2  H2O  à  CO2  +  2  acetat  +  H2   + 4  Glioxilat  +  3  H  +  3  H2O  à  6  CO2  +  5  H2  +   glicolat   2  Benzoat  à  ciclohexà  carboxilat  +  3  acetat  +   HCO3-­‐  +  3  H+   Glioxilat   Benzoat   Acidaminococcus  fermentans   Bacteris  gramnegatius  no  classificats   Syntrophus  aciditrophicus     Fermentacions  sense  fosforilació  a  nivell  de  substrat   Algunes  fermentacions  no  produeixen  prou  energia  per  sintetitzar  ATP  amb  una  fosforilació  a   nivell   de   substrat   (és   a   dir   energies   inferiors   a   32   Kj),   però   encara   són   compatibles   amb   el   creixement.  En  aquests  casos,  el  catabolisme  del  component  està  associat  a  bombes  d’ions  que   poden   establir   una   força   motriu   de   protons   o   sodi   a   través   de   la   membrana   citoplasmàtica.   Exemples  d’aquesta  fermentació  són  la  fermentació  del  succinat  i  la  de  l’oxalat.   L’únic   aspecte   diferencial   d’aquestes   fermentacions   tipus   descarboxilacions   és   que   la   síntesi   d’ATP   succeeix   sense   fosforilació   a   nivell   de   substrat   o   transport   electrònic.   Tot   i   aixó,   la   síntesi  d’ATP  es  pot  produir  ja  que  la  petita  quantitat  d’energia  que  s’allibera  està  acoblada  al   bombeig   de   protons   a   través   de   la   membrana   plasmàtica.   Microorganismes   com   Propionigenium   o     Oxalobacter,   on   la   conservació   de   l’energia   de   reaccions   que   produeixen   menys  de  32  kJ  són  possibles  si  aquesta  està  acoblada  a  una  bomba  d’ions.     És  necessari  un  requeriment  mínim  per  a  la  conservació  de  l’energia  d’una  reacció  per  produir   suficient  energia  lliure  com  per  bombejar  un  sol  ió,  s’estima  que  són  necessaris  com  a  mínim  -­‐ 12   kJ.   Teòricament,   reaccions   que   alliberin   una   energia   inferior   no   podrien   ser   capaces   de   bombejar   ions   i   no   hi   hauria   una   conservació   de   l’energia.   Però,   alguns   bacteris   sobrepassen   aquests  límits  amb  uns  mecanismes  diferents,  mecanismes  que  encara  no  es  coneixen  del  tot.   Aquests  microorganismes  es  coneixen  com  a  sintòtrofs.               BLOC  3.  FISIOLOGIA  I  METABOLISME      TEMA  11.  CATABOLISME:  QUIMIOORGANÒTROFS  -­‐  FERMENTACIÓ     +   + 3    -­‐  4   Na +   Na -­‐expulsor   descarboxilasa     2-­‐   Succinat + Na ATPasa     Na +   Medi  extracel·∙lular   +         O   ADP    +  Pi     ATP   -­‐ Na +     O   + Na   O   C   CH2   CH2   C   -­‐   2-­‐   O Succinat O   + -­‐ HCO3 Medi  intracel·∙lular   O   C   CH2   CH3   -­‐   Propionat   -­‐     Figura  11.2  Fermentació  del  succinat     + Format-­‐oxalat   Format-­‐   antiportador   3  -­‐  4   H     -­‐ Oxalat   Medi  extracel·∙lular           O     ADP     +  Pi   ATP   -­‐ O   O   C   H   O   Format-­‐   H+   -­‐ C   C   O   O-­‐   Oxalat2-­‐       HCO3-­‐   Figura  11.3  Fermentació  del  format         H2O   Medi  intracel·∙lular         BLOC  3.  FISIOLOGIA  I  METABOLISME      TEMA  11.  CATABOLISME:  QUIMIOORGANÒTROFS  -­‐  FERMENTACIÓ     Sintofisme   El  sintrofisme  és  un  procés  metabòlic  en  el  que  dos  microorganismes  cooperen  per  degradar   una   substància,   i   conservar-­‐ne   l’energia,   que   ells   sols   no   podrien.   La   majoria   de   reaccions   sintròfiques  són  fermentacions  secundàries.   Molts  components  orgànics  poden  ser  degradats  sintròficament,  incloent  hidrocarburs  alifàtics   o   aromàtics.   Però   la   majoria   de   compostos   d’interès   en   els   ambients   sintròfics   són   els   àcids   grassos  i  alcohols.   Exemple  de  sintrofisme:  La  consumició  d’hidrogen  en  les  reaccions  sintròfiques   El  nucli  de  les  reaccions  sintròfiques  és  la  transferència  interespecífica  d’H2,  la  producció  d’H2   produïda   per   un   organisme   està   lligada   a   la   consumició   d’aquest   per   un   altre   organisme.   Considerant   per   exemple,     la   fermentació   d’etanol   a   acetat   més   H2   per   un   acoblament   sintròfic   per  a  la  producció  de  metà,  s’observa  que  la  sintrofia  duu  a  terme  una  reacció  amb  una  variació   d’energia   lliure   positiva.   Tanmateix,   l’H2   produït   pot   ser   utilitzat   com   a   donador   d’electrons   per   un   microorganisme   metanògen   en   una   reacció   exergònica   (variació   d’energia   lliure   negtiva).   Quan  se  suma  les  dues  reaccions,  la  reacció  global  és  exergònica,  i  l’energia  lliure  alliberada  és   compartida  per  ambdós  microorganismes.   Fermentació  de  l’etanol   2  𝐶𝐻! 𝐶𝐻! 𝑂𝐻 + 2  𝐻! 𝑂 → 4  𝐻! +  2  𝐶𝐻! 𝐶𝑂𝑂 ! +  2  𝐻 !   !                                                                                                                                          ∆𝐺 ! = +19,4  𝑘𝐽/𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó   Metanogènesi   4  𝐻! +  𝐶𝑂! → 𝐶𝐻! +  2  𝐻! 𝑂   !                                                                                                                                                                                              ∆𝐺 ! = −130,7  𝑘𝐽/𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó   Reacció  acoblada   2  𝐶𝐻! 𝐶𝐻! 𝑂𝐻 + 𝐶𝑂! → 𝐶𝐻! +  2  𝐶𝐻! 𝐶𝑂𝑂 ! +  2  𝐻 !   !                                                                                                                                                                                          ∆𝐺 ! = −111,3  𝑘𝐽/𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó   Transferència  sintròfica  d’H2                          Fermentador  d’etanol                                                                                                                          Metanògen                          2  Etanol                                                                                                                                                              CO2   4  H2                                              2  Acetat                                                                                                                                                                                        CH4   ...