Tema 7. metabolisme secundari (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 10
Fecha de subida 18/01/2015
Descargas 38
Subido por

Vista previa del texto

A la diapositiva tenim la definició del metabolisme primari, que ja hem donat, el conjunt de rutes metabòliques relacionades amb catabolisme i anabolisme de biosíntesi de components cel·lulars bàsics. En aquest metabolisme teníem els metabòlits primaris, com poden ser els aminoàcids, els sucres... També tenim el metabolisme secundari, que es lo que veurem en aquest tema. Són un conjunt de rutes metabòliques de biosíntesi (anabolisme) de compostos sense funció clara en processos bàsics de creixement i manteniment cel·lular. Encara que tenen una funció en el metabolisme, no participen directament en el creixement i manteniment cel·lular. No obstant, tenen metabòlits secundaris amb moltes aplicacions i molt interessants, com poden ser els antibiòtics, toxines...
Aquest metabolisme secundari no és un tipus de metabolisme exclusiu de procariotes, al igual que el metabolisme secundari bacterià és molt important i té moltes aplicacions, el metabolisme secundari de les plantes també en té d’importància, produint subproductes amb moltes aplicacions.
Algunes funcions que té el metabolisme secundaria en les cèl·lules productores són de manera general les de dalt, com hem dit, no estan involucrades en el creixement i desenvolupament de la cèl·lula però tenen altres aplicacions.
Aquestes poden ser la de competència contra altres organismes, mitjançant antibiòtics o toxines que secreten i els i serveix per atacar altres organismes, atracció d’altres organismes per a reproducció, com poden ser les feromones, protecció, mitjançant pigments o alcaloides (típics de les plantes, encara que també de fongs), comunicació amb altres cèl·lules, aquí entraríem tot amb lo relacionat amb el quorum sensing (bioluminescència, producció de biofilm...).
- - - - Aquest tipus de metabolisme secundari té unes característiques concretes. On podem trobar molècules que tenen una estructura relativament complexes. No son molècules senzilles amb dos carbonis, sinó que són estructures complexes com les que podem veure en la imatge (bacitracina, àcid D-lisèrgic (LSD), aflatoxina...) també hi ha altres molècules una mica més senzilles com poden ser els compostos aromàtics compostos de grups benzens.
En general hi ha una certa especificitat dels metabòlits secundaris en quant a estructura, antibiòtics en poden fer diferents gèneres tant de bacteris com de fongs, però si anem a mirar el tipus, la molècula, si que es troba una especificitat molt clara al grup que fa aquest producte, un Streptomices no fa el mateix antibiòtic que un Bacillus. O sigui, sintetitzats només per un grup taxonòmic restringit cada metabòlit secundari o família.
Sintetitzen a la fase posterior al creixement, es lògic, la cèl·lula primer es preocupa en produir els metabòlits essencials per al creixement i desenvolupament i supervivència i després si pot i les condicions són favorables per fer-ho, desenvoluparà, metabolitzarà, altres substrats per fer aquests metabòlits secundaris que li donen uns avantatges diferents.
A banda, també, el que s’ha observat, és que la excreció d’aquests compostos pot ser la destoxificació interna (acumulació d’intermediaris). Com podem veure, tots els exemples que tenim a la imatge es formen a partir de metabòlits primaris del metabolisme primari, per tant, es pensa, que moltes vegades, una acumulació d’aquests components, com pot ser l’acetil-coA pot ser el determinant de la formació d’aquests metabòlits secundaris per tal de que no hi hagi una intoxicació (excés) d’alguns d’aquests intermediaris en la cèl·lula. Per tant, això ens dona una idea de que la cèl·lula farà aquests metabòlits secundaris quan es trobi en un bon moment, quan tingui substrats al seu abast.
Els exemples que tenim aquí són triats a l’atzar. Tenim dos tipus d’antibiòtics (bacitracina i benzilpenicil·lina), altres productes del metabolisme microbià és el LSD, que és una droga, un alcaloide, aquest compost s’ha utilitzat en farmacologia ben dosificat produït pel fons Claviceps. També podem trobar les aflatoxines, molt controlat en el camp alimentari. Un altre exemple es el geraniol o la cafeïna que s’extreuen de les plantes.
METABÒLITS SECUNDARIS: Sintetitzats en fase posterior a creixement: IDIOFASE La característica més important a tenir en compte en quant a la seva producció és la fase de creixement en la que tenen lloc aquests metabolismes, és la que coneixem com IDIOFASE.
Tenim en les gràfiques el metabolisme primari i el metabolisme secundari, és a dir, tenim un exemple de cadascun dels metabolismes, el cas de dalt és el primari i el cas de baix és el secundari, on es sintetitzen antibiòtics.
La producció de metabòlits primaris tindria lloc a la fase de creixement (totes les fases de creixement com el de latència, l’exponencial i l’estacionària), tenim un exemple de metabolisme com pot ser la fermentació alcohòlica (degradació dels sucres) va amb paral·lel amb el creixement de les cèl·lules. Per tant és un clar exemple de metabolisme primari.
En el cas del metabolisme secundari trobem un altre patró, hi ha un metabòlit (sucre) que s’utilitza pel creixement de la població i aquest mateix substrat és utilitzat quan la població ja ha crescut per la producció del metabòlit secundari, en aquest cas de penicillina. Això s’ha de tindre en compte en les industries, primer s’ha de deixar créixer el microorganisme i que estigui al màxim de biomassa per després fer el metabòlit secundari.
En aquesta imatge tenim l’exemple de la utilització de substrats en tres casos diferents de metabolisme tant primari com secundari.
Tenim el primer exemple, on tenim el típic metabolisme primari, on té lloc simultàniament el creixement cel·lular i la producció de metabòlits primaris, com vam veure amb la fermentació.
També tenim l’exemple del cas del metabolisme secundari, on hi hauria la interconversió dels metabòlits primaris que s’han produït en metabòlits secundaris. Quan la cèl·lula creix i es generen els metabòlits primaris (ex. àcid orgànic), aquest pot ser convertit en metabòlits secundaris com pot ser un antibiòtic.
També tenim un altre cas, on el metabolisme secundari, com el que hem vist en la gràfica anterior, de la formació de penicillina, on aquest metabòlit es sintetitza gràcies al mateix substrat (sucre) que serveix per al creixement cel·lular i no d’un metabòlit primari con en el cas anterior.
L’exemple típic és el dels antibiòtics, ja sigui per la rellevància que tenen al camp clínic o per l’àmbit econòmic són probablement els metabòlits secundaris més estudiats.
Tenim una taula, que són alguns dels exemples dels antibiòtics comercialitzats actualment.
Ens interessa veure els microorganismes que produeixen aquests antibiòtics. Destaca sobretot el gènere Streptomyces i en segon lloc Penicillium.
Hi ha altres microorganismes com pot ser els Bacillus, però predominen els altres més.
Tant Streptomyces com Penicillium són sempre les mateixes espècies, de fet el que dona aquesta diversitat és que cada espècie pot produir antibiòtics diferents amb un espectre d’acció realment diferent. En el cas de Streptomyces trobem antibiòtics com Cicloheximidina, Neomicina, Nistatina, Tetraciclina... Tot i que Streptomyces és un bacteri, estaria dins d’aquest grup de bacteris que li anomenen semblant als fong, degut a les característiques i semblança semblant que tenen.
Aïllament i screening de soques productores d’antibiòtics: En quant a la producció d’antibiòtics, com ja he dit, hi ha moltes espècies caracteritzades, es continuen fent aïllaments de soques productores per tal de trobar nous antibiòtics que puguin millorar l’espectre d’acció. No obstant, la tècnica d’aïllament és molt clàssica i no ha evolucionat molt des de que es va començar a utilitzar.
Tenim dos assajos diferents, comencem pel de l’esquerra: - Es posa en un medi de selecció caracteritzat i optimitzat per a que els microorganismes puguin produir els antibiòtics. El que es fa és sembrar la mostra que es pretén aïllar i veure la diversitat de soques diferents. es posa una capa al damunt (agar amb una mica menys de concentració que el de baix) amb un microorganismes indicador, que normalment, és un bacteri que és molt sensible als antibiòtics. Normalment es treballa amb diferents microorganismes indicadors per assegurar que aïllem totes les possibles soques productores. Per tant, finalment observem la placa amb zones (halos) d’inhibició de les colònies que s’han desenvolupat i que sintetitzen l’antibiòtic.
- L’altre exemple d’aïllament consisteix en altre metodologia. També és un assaig clàssic, però ens dona una mica més d’informació en quant a la sensibilitat o l’espectre d’aplicació que pot tenir un antibiòtic. En una placa amb el medi adient es faria una sembra en la base de la placa amb la soca productora d’antibiòtics, en principi i hauria producció d’antibiòtics en aquest medi i a dalt es sembren soques potencialment sensibles als antibiòtics. Finalment veuríem resultats diferents, pot ser, en alguns casos les soques creixen sense problema, i en altres casos si que podem veure un menor creixement on podem veure la longitud del creixement, és a dir, com més curt sigui el creixement, vol dir que la inhibició serà més elevada.
Actualment hi ha moltíssimes soques modificades genèticament per tal de millorar la producció d’antibiòtics. El problema amb que es troben una mica els que estudien la producció d’antibiòtics és que les vies metabòliques d’aquests compostos són molt complexes. I a l’hora de modificar genèticament no és el mateix treballar amb una via metabòlica senzilla que no intervenen molts gens que treballar amb vies metabòliques amb vies molt complexes. Tot i així hi ha soques millorades y molts estudis fets. Quan ja es coneix i està caracteritzat un producte que interessa hi ha la producció d’aquell producte en un hoste que sigui més potent, que aporti uns avantatges que el microorganismes original, per tant es traslladen els gens a hostes més interessants. En aquest cas la limitació és que traslladar gens d’Streptomyces a una altre microorganismes com E. Coli, és que ens trobem amb una gran quantitat d’operons implicats en aquests gens que no és fàcil traslladar en altres microorganismes.
Una millora que s’ha fet en Streptomyces és que té una capacitat de creixement en condicions d’oxigen que poden ser limitants. Streptomyces és aerobi i creix d’una manera similar als fongs i fa un creixement en superfície, formant una pel·lícula com de floridura (biofilm espès) que acaba sent una limitació pel seu propi creixement, ja que afecta a la seva captació d’oxigen en la producció a gran escala.
Per tant, la estratègia que han pensat és afegint un gen de proteïna que seria homòleg a la hemoglobina que és originàriament d’un altre bacteri (Vitreoscilla). De manera que tingui nua major afinitat a l’oxigen en condicions de creixement en que les condicions d’oxigen pugui ser limitant. Increment de la producció de 10 vegades més.
Tenim el cas dela penicil·lina, que per la seva rellevància històrica, el primer antibiòtic que es caracteritza a partir de fong Penicillium. Pero aquestes penicilines al llarg del temps han anat evolucionant moltsíssim i actualment podem parlar de tres tipus d’antibiòtics d’aquesta família.
- - - Penicil·lines naturals: Són aquelles que el microorganismes, el Penicilium el produeix pel seu metabolisme secundari i per exemple tenim la penicillin G. Després, degut als problemes de les resistències als antibiòtics degut al abús d’aquests compostos com antibiòtics, doncs van aparèixer resistències a la penicil·lina i per això es van investigar i formar noves penicil·lines que tinguin un efecte protector que altres naturals han creat resistència.
Penicil·lines biosintètics: És per això que neixen les biosintètiques. Són aquelles que es canvien els precursors, el que canvien el proces de biosíntesis és el tipus de precursor (I, II o III), és a dir, canviar el substrat del metabolisme secundari, s’aconsegueix una diversitat de penicil·lines que ja no són les naturals, però sintetitza de de forma biològica també..
Penicil·lines semisintétiques: Aquestes també venen de la capacitat natural de Penicillium de produir aquest tipus de compostos, però aquests compostos naturals el que es fa és modificar concretament el radical funcional. Així obtenim moltes cadenes laterals diferents, on es crea el grup de penicillines semisintètiques , els exemples més importants són els de ampicillina, amoxicilina, meticillina...).
Aquesta imatge serveix per il·lustrat una cosa que vam veure l’altre dia que és que els metabòlits secundaris apareixen quan les cèl·lules ja estan crescudes i estan en fase estacionària. Per una banda tenim les cèl·lules, la producció de penicil·lina, també la lactosa... la lactosa és la font d’energia, i tenim el consum de sucres i després les glucoses que queden son les que son les productores del metabòlit secundari. També podem veure que l’amoni s’esgota quan les cèl·lules creixen i queda en nivells molt baixos quan les cèl·lules arriben al nivell estacionari.
Tetraciclines: Un altre exemple d’antibiòtic important són les Tetraciclines. En aquest cas les produeix Streptomices.
Aquí tenim el diagrama de flux de producció. A gran escala, quan es produeixen aquests compostos, el que es fa és totes unes etapes de preadaptació (créixer) i finalment hi haurà la etapa de producció i recol·lecta del metabòlit secundari (antibiòtic en aquest cas).
El seu creixement és similar als fongs, tot i que és un bacteri. Primer de tot es fa créixer en un medi òptim, amb font de nitrogen, de sucres, extractes... Després hi ha una etapa de preadaptació, on s’utilitza un medi entremig que seria ja de producció (darrera etapa).
Finalment, el que seria el medi de producció ja conté sacarosa, també el licor de blat demoro (afegit al medi de preadaptació també), sals, continguts en sucres una mica inferiors a abans. Òbviament, després venen totes les etapes de purificació del caldo de cultiu, per tal d’aconseguir els antibiòtics.
Un altre tipus de metabòlits secundaris són els pigments. Tenim pigments molt diversos i bastant complexes. Molts microorganismes en produeixen de molts tipus diferents i de coloracions molt diverses. Els pigments tenen la funció de protecció. També estan molt lligats contra la protecció de l’estrès redox, ens protegeixen contra oxidants (la llum o ROS, H2O2...).
A nosaltres ens és últim pel camp alimentari i altres industries, també per tal d’identificar-los ens és molt útil. Tenim l’exemple concret que és el cas de prodigiosina del bacteri Serratia marcescens (model d’estudi), a la imatge està.
És una mica densa, però il·lustra la diversitat de metabòlits secundaris i com aquests venen, procedeixen de les diferents vies del metabolisme central. Els metabòlits secundaris es comencen a produir quan les cèl·lules acumulen un d’aquests intermediaris i per tant li donen una utilitat diferents, com pot ser una defensa, una pigmentació...
llavors, en aquest esquema el que tenim és per una banda, una sèrie d’exemples de metabòlits secundaris, i un exemple dels que els produeixen.
APLICACIONS DE METABOLITS SECUNDARIS: - Antibiòtics Antivírics Antiparasitaris Immunoduladors: antirebuig Drogues (LSD, cànnabis...) Pigments Aromes, perfums Alguns additius de la industria alimentaria, ja siguin pigments o altres metabòlits que es produeixen per aquestes vies.
Etc ...