Tema 14-18. Diversitat metabòlica (2013)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Microbiología - 1º curso
Asignatura Microbiologia
Año del apunte 2013
Páginas 13
Fecha de subida 22/10/2014
Descargas 32
Subido por

Vista previa del texto

Grau Microbiologia – Microbiologia T-14-18 Gloria Hidalgo DIVERSITAT METABÒLICA Quan una cèl·lula esta creixement ha de utilitzar els elements que trobi en el seu entorn per sintetitzar tots els seus nutrients que formen part del seu pes sec total. Això es duu a terme a per vies metabòliques.
Ex: E. coli és molt complerta, pot sintetitzar tots els aa a partir d’una font de carboni.
Conté molts gens de degradació i metabolisme energètic.
Els microorganismes que no tenen massa DNA redundant ni repetitiu contenen només allò que els hi cal per créixer. Ex: procariotes que els hi manquen moltes funcions fotosintètiques, de forma que han d’agafar el nutrients del medi.
1. GENERALITATS Que les cèl·lules creixen des de un punt de vista metabòlic vol dir que des de el medi ambient capten macronutrients, micronutrients i element traça; i amb tot això realitzen un catabolisme per obtenir metabòlits precursors, poder reductor i ATP.
- Macronutrients: contenen els elements químics majoritaris de tota cèl·lula. Ex: H, O, C - Micronutrients (majoria d’ions): formen part de la biomassa cel·lular però en concentracions més baixes. Ex: Fe, Na, Ca, etc.
- Elements traça: tipus de composts (les eucariotes poden normalment sintetitzar-les totes), com vitamines. Es necessiten en concentracions molt baixes.
Si la cèl·lula es capaç de sintetitzar tots el metabòlits precursors, no necessita nutrients. Es capaç de sintetitzar tots els monòmer que li manquen.
No tots el metabòlits precursors van a la via per obtenir energia, sinó que alguns cap a rutes de biosíntesi per sintetitzar parts de la cèl·lula.
La biosíntesi i els mecanismes de polimerització són prou semblants entre les diferents cèl·lules. L’assemblatge, però, es diferents segons cada cèl·lules (cada morfologia es diferent).
1 Grau Microbiologia – Microbiologia T-14-18 Gloria Hidalgo 2. GRUPS FISIOLÒGICS NUTRICIONALS Font d’energia: - Compost químic: Quimiotròfia - Llum: Fototròfia Font de carboni: - Orgànica: Heterotròfia - Inorgànica: Autotròfia Donador d’electrons: - Orgànic: Organotròfia - Inorgànic: Litotròfia L’obtenció d’energia ve donada per FS, o per cadena d’electrons si es dóna fosforilació oxidativa (O2 aeròbic, no O2 anaeròbic). Les fermentacions es produeixen per fosforilació a nivell de substrat.
La fermentació només es pot donar si el donador d’electrons és orgànic.
2.1. AUTOTRÒFIA L’autotròfia és el procés mitjançant el qual es produeix la fixació de CO2 (assimilat com a font de Carboni), que té a veure amb el cicle de Calvin de plantes i alguns procariotes (com algues). A més d’aquest cicle, els procariotes fixen CO2 per: cicle invers de l’àcid cítric, via de l’hidroxipropionat i via de l’acetil-CoA.
Cicle de Calvin Es tracta d’una via metabòlica cíclica en la qual 6C són reduïts gracies al poder reductor de 12NAPH, consumint ATP i que s’obté una molècula orgànica de 6C.
*S’acumula la Rubisco als carboxisomes (inclusions) d’autòtrofs estrictes.
2 Grau Microbiologia – Microbiologia T-14-18 Gloria Hidalgo Cicle invers de l’àcid cítric Consta d’un cicle de krebs que va al revés i d’una gluconeogènesi des de l’acetil-CoA. El cicle, al anar al revés, redueix; de forma que aquest esta fixant CO2 al medi i consumeix ATP, FADH i NADPH.
El citrat que resulta del cicle de krebs al revés es trencat pel citrat liasa (enzim específic de microorganismes) amb un gast d’ATP i obtenció d’acetilCoA. Aleshores l’enzim ferredoxin reductasa fixa un 3r carboni per passar d’acetil-CoA a piruvat.
Aquesta via la utilitzen bacteris fotosintètics verds del sofre.
Via de l’hidroxipropionat Via que es troba en bacteris fototròpics verds (Chloroflexus).
També s’ha trobat quan s’han fet seqüències de genomes no fototròpics (com hipertermòfils Archaea).
Parteix d’un el malyl-CoA es divideix en dos, s’obté glicoxilat i acetil-CoA.
Via del acetil-CoA S’obté acetil-CoA i aquest deriva cap a la fotosíntesi. Es troba en organismes acetogènics i en metanogènics. No es una via cíclica (via lineal).
Hi ha un fixació de dos carbonis, s’obté acetil-CoA  El carboni per la ramificació d’adalt passa de CO2 a grup metil acetat i a la branca d’abaix passa a grup carbonil. Aquests dos carbonis que s’han reduït s’enssemblen i s’acaba obtenint acetil-CoA.
3 Grau Microbiologia – Microbiologia T-14-18 Gloria Hidalgo 2.2. LLUM COM A FONT D’ENERGIA: FOTOTÒFIA 2.2.1. Fotosíntesi oxigènica A partir d’energia llumínica, s’obté ATP. El CO2 es fixarà en una molècula orgànica. Com a producte final d’aquest procés, les cèl·lules alliberen al medi O2.
Els organismes que duen a terme aquesta fotosíntesi tenen 2 PS.
Ex: plantes, algues, cianobacteris, procloròfits.
2.2.2. Fotosíntesi anòxica No genera oxigen, el donador d’electrons no és l’aigua. És dut a terme per procariotes, amb l’objectiu d’obtenir ATP i poder reductor. Els organismes només tenen el PSI.
Els que utilitzen sulfhídric acumulen grànuls de sofre, els quals utilitzen si hi ha falta d’H2S. L’alliberament de sulfúric provoca una baixada del pH del medi.
Realitzada per:  Bacteris vermells no del sofre (Ex. Rhodobacter): donador d’electrons H o altres.
 Bacteris vermells del sofre (Ex. Chromatium)  Bacteris verds no del sofre (Ex. Chloroflexus)  Bacteris verds del sofre (Ex. Chlorobium)  Heliobacteris (Ex. Heliobacterium) Necessariament han de tenir pigments fototròpics i PS, els quals es troben en membranes: - Bacteris vermells: invaginacions de mbr, com lamel·les i vesícules, on es troba el PS.
- Bacteris verds: estructures a la mbr cel·lular anomenades clorosomes.
- Heliobacteris: no tenen cap estructura específica, el PS es troba a la mbr cel·lular.
Pigments propis d’aquests bacteris: Bacterioclorofil·la: pigment únic en bacteris que absorbeixen longituds d’ona diferents que les plantes. Caràcter taxonòmics del grup (no produeixen O2).
Carotenoides: pigment amb funció de fotoprotecció i captació de diferents longituds d’ona i que transporta l’energia al centre de reacció.
El rang d’utilització de l’energia llumínica del bacteris es més grans que ens els eucariotes. La producció primària és molt elevada i es dona en llocs on no poden fer-ho els eucariotes (longitud d’ona baixes).
4 Grau Microbiologia – Microbiologia T-14-18 Gloria Hidalgo Per cada centre de reacció, en segon quins microorganismes, es poden trobar centenar pigments antena (capten energia llumínica). El centre de reacció s’han cristal·litzar, de forma que podem saber l’estructura i localització d’aquests components.
Procés de fotofosforilació cíclica: transferència d’electrons i que el complex ATPasic sintetitzi ATP – La transferència d’electrons és a favor de gradient, sempre de a més V.
Flux invers d’electrons (bacteris vermells)  el potencial de la reacció del poder reductor és més electronegatiu que la última quinona del centre de reacció. Quan cal NADH, els electrons que estan a la última quinona del centre del reacció viatgen contra gradient per promoure la reducció NADH. El procés té un cos energètic que deriva del potencial de membrana.
Si els electrons surten del cicle, aquest no tornarà al PS. El donadors extern d’e- donen eperquè la bacterioclorofil·la el rebi i torni a la seva situació inicial (el cicle es torna a fer).
Ex: H2S, S2O3-2,S0, Fe2+ i compostos orgànics.
Els bacteris verd i heliobacteris no hi ha flux invers d’electrons ja que via hi ha de fixació de CO2 amb ferredoxina reduïda. Potencial més electronegatiu que P870 de bacteris vermells.
5 Grau Microbiologia – Microbiologia T-14-18 Gloria Hidalgo 2.3. SUBSTRATS INORGÀNICS COM A FONT D’ENERGIA: QUIMIOLITOTRÒFIA Font d’energia química i donador d’electrons és inorgànic.
L’hàbitat de quimiolitotròfics han de tenir compostos inorgànics reduïts suficients per donar eal procariotes (amb enzims adaptats a aquests compostos). Ex: font termal, canal de Fe, corrents d’aigua, xemeneia submarina.
Compostos inorgànics com a font d’energia: H2, H2S, NH3, NO2-, Fe2+ Els quimiolitòtrof són molt específics, excepte aquells bacteris que poden utilitzar H2. En general, es consumeix molt del compost inorgànic en qüestió (transformació del medi important).
1.3.1. Obtenció d’energia i NADH des de compostos inorgànics Des de compostos reduït de sofre *A partir del NADH obtingut pel flux invers d’e- (procés quimiotrof) i d’ATP (procés fotòtrof), es produeix la biosíntesi de material cel·lular.
S’acoblen a la cadena electrons que provenen del sulfur i del tioslfat. Dona més energia el sulfur (allibera 4H+ en contra del tiosulfat que dóna 2H+).
Aleshores la ATPasa promou la síntesi de ATP.
Des de el FAD o citocrom c hi haura un flux invers d’electrons. El flux serà més llarg o més curt dependent de l’acceptor d’e-. Si és més curt millor, en tant que el HS- es torna més eficient.
La majoria del bacteris quimilitotròfs i fototròfics anoxigènics tenen flux invers d’electrons.
Però hi ha un tipus de bacteris (bacteri de l’H: donador d’electrons és l’H2) que no li cal un flux invers de electrons perquè té dos deshidrogenases.
6 Grau Microbiologia – Microbiologia T-14-18 Gloria Hidalgo Des de Fe2+ a pH en presència d’O2 (Acidithiobacillus ferrooxidans) El complex ATPasic treballa gràcies a la diferència de pH que farà que el H+ espontàniament entrin dins de la cèl·lula. D’aquesta forma el microorganismes obté fàcilment ATP.
Si el protons van entrant dins de la cèl·lula, s’acidificarà el pH intern, i deixarà d’haver-hi un diferencia de pH que li sigui favorable. D’aquesta manera, a través d’una respiració aeròbica serveix per consumir el protons que van entrant. El donador de electrons és el Fe2+ Rusticianina: enzims que 2+ 3+ catalitza el Fe a Fe i transfereix els electró a nivell de citocrom c.
El bacteri també necessita NADH, ho fa a partir dels electrons provinents del ferro que van a través d’un flux invers d’electrons i així obté NADH.
1.4. SUBSTRATS ORGÀNICS COM A FONT D’ENERGIA QUIMIOORGANOTRÒFIA Substrats orgànics poden utilitzar els procariotes: alcohols, polisacàrids, lípids, DNA i RNA, proteïnes (enzims hidrolítics), àcids orgànics, hidrocarburs, alifàtics, aromàtics i compostos amb un C (metà, metanol, metilamina ,etc).
Han desenvolupat vies metabòliques per utilitzar qualsevol macromolècula orgànica suficientment reduïda i natural. El primer pas per metabolitzar les macromolècules és hidrolitzar (trencar) a partir d’enzims hidrolítics, per així poder aprofitar els monòmers.
Els enzims hidrolítics són de gran importància industrial. Ex: amilasa, lipases, dnases, rnases, proteases, etc.
1.4.1. Rutes de degradació d’hexoses i pentoses - Ruta d’Embden-Meyerhof: glucòlisi - Ruta d’Entner-Doudoroff (Pseudomones, Rhizobium, Agrobacterium, Zymomonas): com glucòlisi, però amb passos intermitjos diferents.
- Via de la Pentosa Fosfat Si es troben en el medi àcids orgànics, poden incorporar-se al cicle de l’àcid cítric (Ex: citrat, malalt, famrat, succinat) o el cicle del glicoxilat (Ex: àcids de dos o tres carbonis – acetat o piruvat).
Si hi ha triglicèrid o fosfolípids els trenquen i obtenen glicerol i àcids grassos (per β-oxidació obtenen acetil-CoA). Els fosfolípids alhora els hi aporta una Font de fòsfor.
7 Grau Microbiologia – Microbiologia T-14-18 Gloria Hidalgo El creixement amb hidrocarburs alifàtics (Ex: butà, octà, pentà, età, propà) és més complicat.
Dins d’aquests, hi ha un grup de pocs carbonis que són gasos, i els altres formen part del petroli.
Hi a microorganismes capaços de créixer exclusivament amb font d’energia d’hidrocarburs alifàtics gasosos (pocs). Hi ha més que utilitzen hidrocarburs alifàtics de més carbonis. La reacció és: hidrocarbur – alcohol – aldehid – àcid – àcid: acetil-CoA.
El primer procés és aeròbic (es pot fer via anaeròbica) i són importants les monooxigenases.
El procés de degradació, gràcies a ser aeròbic, justifica que tinguem bosses de petroli anaeròbiques.
Aquest microorganismes es comercialitzen per degradar vessament de petroli en els oceans.
Aquests colonitzen ambient molt hidrofòbics, però no són capaços de viure en un inòcul purament de petroli, ja que els hidrocarburs no són l’únic componen que necessiten pel seu metabolisme.
Si parlem dels hidrocarburs aromàtics (Ex: toulè, benzè, naftalè, antracè), el microorganismes no tenen un via de degradació especifica per a cada aromàtics, sinó que tenen uns pocs enzims que actuen sobre el compost aromàtic i el converteix en protocatechuat o catechol (vies perifèriques).
Abans de trencar tant anells com els que tenen els compostos aromàtics els passen aquestes molècules anomenades i aleshores si que trenca els anells i s’obté un àcid orgànics a partir del qual creixen.
A patir de compostos d’1 C, es produeix el porqués de metilotròfia o metanotròfia en condicions aeròbiques. A partir d’aquest, la monooxigenasa catalitza la oxidació del metà a metanol, el qual pateix una sèrie d’oxidacions fins obtenir un carboni cel·lular (passarà a la biosíntesi) i àcid que acabarà produint CO2. Alhora, d’aquestes oxidacions s’obté NADH que s’acobla ala cadena de transport d’e- (obté ATP).
3. OBTENCIÓ D’ENERGIA PER RESPIRACIÓ Per un mateix donador d’electrons, un microorganisme pot utilitzar O2, NO3- i fumarat com acceptors externs d’electrons.
Com és electropositiu sigui l’acceptor extern, més energía s’obtindrà a partir d’ell.
3.1. RESPIRACIÓ AERÒBICA Canvia el citocrom, segons la pressió parcial d’O2 L’acceptor terminal d’esempre és l’O2, encara que canvi la CTE.
8 Grau Microbiologia – Microbiologia T-14-18 Gloria Hidalgo 3.2. REDUCCIÓ DEL NITRAT I DESNITRIFICACIÓ Respiració associada a org facultatius, aeròbics (O2 acceptor) o anaeròbics (NO3- acceptor): – Reducció del nitrat: es redueix NO3- a NO2-, de manera que la cadena d’e- té nitrat reductasa com a últim productor.
– Desnitrificació: reduir nitrat progressivament fins a obtenir N2 (N atmosfèric) mitjançant reductases. Propi de pseudomones i important als sòls (s’eliminen nitrats).
o Són cadenes + llargues, + energètiques i d’org facultatius 3.3. REDUCCIÓ DESASSIMILATIVA DEL SULFAT Es produeix un procés de quimiolitotròfia i un altre de quimioorganotròfia, però no es donen a la vegada: 1. Quimioorganotròfia: a partir d’un compost orgànic que es redueix, s’obté acetat, CO2 i ATP (energia), així com poder reductor que s’emmagatzema a l’acceptor final H2.
2. Quimiolitotrofia: el poder reductor emmagatzemat a H2 (del pas anterior o ambiental) passa a la CTE a partir de la qual s’obtenen H+, síntesi ATP, i electrons.
3. Quimioorganotròfia: el electrons obtinguts en el pas anterior s’utilitzen per promoure la reducció de SO3-2 (porvé del SO4-2) a H2S  reacció de desassimilació del sulfat.
3.4. REDUCCIÓ DEL CO2: ACETOGÈNESI I METANOGÈNESI Implica la respiració del CO2: – Metanogènesi: reducció del CO2 a CH4. Es duta a terme pels metanogens (arqueus).
– Acetogènesi: producte final és l’acetat (CO2  acetat). Duta a terme per acetogènics 9 Grau Microbiologia – Microbiologia T-14-18 Gloria Hidalgo L’acetogènesi està relacionada amb la via de l’acetil-CoA. En aquesta via, el donador d’electrons (H2) redueix el CO2 a metil i a un grup carbonil. Aquests dos compostos resultant s’ajunten (també amb CoA) i donen Acetil-CoA. Aquest pot dirigir-se a la biosíntesi o mitjançat el gastat d’ATP se’n pot obtenir acetat.
Es tracta d’una respiració (no fermentació), en tant que necessiten H2 (donador d’e-) i CO2 (font de C, acceptor d’e- extern) i perquè a partir del Na+ que resulta s’acobla a una bomba de sodi i un complex ATPasa del qual s’obté ATP.
Metanogènesi *El complex oxidat obtingut, CH4, es redueix de mida a la CTE, la qual dóna energia i H2 (provoca la translocació d’e-  permet la reformació de HS-CoB i CoM-SH i, a més, la formació d’ATP mitjançant ATPasa).
4. FERMENTACIÓ  Procés anaeròbic sense acceptors externs d’electrons  Compost orgànic és el donador d’energia  Procés redox equilibrat internament o Part del carboni s’oxida i part es redueix o Generació de productes de fermentació  Conservació de part de l’energia del substrat 10 Grau Microbiologia – Microbiologia T-14-18 Gloria Hidalgo o o En general, síntesi d’ATP per fosforilació a nivell de substrat Els enllaços P d’alta energia dels intermediaris orgànics es transfereixen a l’ADP En moltes fermentacions l’equilibri redox s’obté gràcies a la producció d’hidrogen. Moltes fermentacions produeixen acetat com a producte majoritàri o minotàri 4.1. DIVERSITAT DE LES FERMENTACIONS  Fermentacions comuns: classificació segons els productes finals de les fermentacions  Fermentacions inusuals: classificació segons el substrat fermentable (realitzades per soques concretes).
 Fermentacions sense fosforilació a nivell de substrat: descarboxilacions d’àcids orgànics  Sintròfia: transferència interespecífica de H2. Fermentacions que es realitzen per la col·laboració metabòlica de dos grups microbians.
Fermentacions comuns Alchòlica: les zimomones s’utilitzen a la indústria per obtenir alcohol.
Homolàctica i heterolàctica: a indústria làctica i carnica (fuets).
Via dels bífids: només realitzades per bifidobacterium 11 Grau Microbiologia – Microbiologia T-14-18 Gloria Hidalgo Fermentació àcid mixta: importància taxonòmica per poden diferenciar dos grans grups enterobacteris (un grup quan fermenta produeix 2,3-butanodiol i l’altre no).
Fermentacions d’àcids orgànics: se lis dona el només del àcid orgànics majoritari resultant. Els microorganismes més comuns en realitzar-lo són els clostidium.
Homoacetogènica i metanogènica: a partir de compostos orgànics s’obté acetat o metà.
Bacteris probiotics: produeix lactat i altres compostos amb concentracions petites que tenen efectes positius a la persona que els ingereix.
Fermentacions inusuals Reben el nom de compost resultat de la fermentació. En la majoria del casos la majoria del producte final majoritari que s’obté és l’acetat.
Fermentació del succinat: descarboxilació amb una increment d’energia lliure positiu (no s’obté aTP), la descarboxilació esta acoblat a la translocació de Na+ i aquesta arriba a una bomba i sintetitza ATP. Només per propionigenium modestum No ATP per fosforilació a nivell de substrat.
Fermentacions sense fosforilació a nivell de substrat Descarbolixació d’àcids orgànics acoblada a la translocació de sodi (simport)  fa treballar una ATPasa dependent de Na+ (no ATP per fosforilació a nivell de substrat).
Sintròfia Es donen en mostres ambientals on hi havia etanol, el qual es fermentava. L’increment d’energia lliure és molt positiu, de manera que no s’obté ATP per fosforilació a nivell de substrat. Es va veure que succeeixen dues reaccions acoblades: d’etanol a acetat o metanogènesis.
Realitzat per metanogènics sintròfis i Tranferència interespecífica d’H: en ambients naturals.
12 Grau Microbiologia – Microbiologia T-14-18 Gloria Hidalgo 4. FIXACIÓ DE NITROGEN El nitrogen atmosfèric passa a amoni/amoníac.
Molt bacteris amb independència del grup metabòlic i de l’espècie que siguin tenen la capacitat d’utilitzar el nitrogen atmosfèric i fixar-lo quan no hi ha una bona disponibilitat de N al medi (és un cost energètic molt alt: consumeix de 16-24 ATP per cada N).
La reacció esta bloquejada a nivells del enzims que la realitzen si al medi hi ha N disponible. Si no hi ha N al medi s’expressen els enzims que formen el complex nitrogenasa.
13 ...