Temes 14-18: Diversitat metabòlica 5 (MB) (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Microbiología - 1º curso
Asignatura Microbiologia
Año del apunte 2016
Páginas 7
Fecha de subida 22/04/2016
Descargas 49
Subido por

Vista previa del texto

DIVERSITAT  METABÒLICA  (T.  14-­18)  V   2.6  Obtenció  d’energia  per  fermentació   -­Procés   anaeròbic   d’obtenció   d’energia   en  microorganismes  quimioorganòtrofs.     -­Obtenció   d’energia   menor   que   en   respiració   (ja   que   es   produeixen   oxidacions  parcials).     -­Ha   d’haver-­hi   un   equilibri   intern   redox,   en  el  que  el  substrat  fermentable  s’oxida   i   redueix   a   la   vegada.   I   es   produeixen   productes   de   fermentació.   Aquests   productes  finals  no  els  hi  interessen  gaire   als   microorganismes,   ja   que   només   volen   l’energia   (ATP),   per   això   els   excretaran  a  l’exterior.  En  moltes  fermentacions  l’equilibri  redox  s’obté  gràcies  a   la  producció  d’Hidrogen.     -­Un  compost  orgànic  és  el  donador  d’energia.   -­L’acceptor  d’electrons  sempre  és  un  compost  intern  que  forma  part  de  la  via  (en   canvi  la  respiració  l’acceptor  d’electrons  sempre  és  extern).     -­L’objectiu  és  el  mateix  que  la  respiració:  obtenir  ATP.     -­No  els  interessarà  molt  NADH,  ja  que  aquest  no  es  podrà  oxidar  (perquè  no  hi   haurà  acceptor  extern).  Només  generaran  el  NADH  per  a  biosíntesi.   -­Normalment  s’obté  ATP  per  fosforilació  a  nivell  de  substrat,  però  no  sempre,  a   partir  d’un  compost  ric  en  energia.  Aquest  mecanisme  permet  que  els  enllaços   fosfat   rics   en   energia   d’intermediaris   orgànics   fosforil·lats   (compostos   d’alta   energia)  els  quals  la  seva  hidròlisi  és  molt  exergònica,  i  permet  acoblar  la  síntesi   d’ATP.       La   majoria   de   carboni   dels   substrats   orgànics   deriva   cap   a   la   fermentació   de   productes  per  tal  d’aconseguir  ATP,  i  només  una  part  molt  petita  deriva  cap  a  la   generació  de  biomassa,  amb  el  consum  d’ATP  (només  allò  indispensable).     Les   vies   de   descomposició   anaeròbica   de   les   principals   substàncies  fermentables  estan  en  la   imatge   de   sobre.   Moltes   de   les   vies   de   fermentació   passen   per   piruvat   i   Acetil-­CoA,   per   això   es   diu   que   són   intermediaris   clau   rics   en   energia;;   i   posteriorment   moltes   d’aquestes   produeixen   acetat   com   a   producte   majoritari   o   minoritari.   Però   no   sempre   s’utilitza   el   piruvat   ni   és   aquest   el   producte   més   oxidat.   Per   tant,  no  només  podem  obtenir  el  típic   “lactat”   i   “etanol”   a   partir   d’una   fermentació.           En   general   totes   les   vies   generals   de   fermentació   contenen   tres   parts   ben   definides:   -­Estructuració  de  la  molècula  orgànica.     -­Fase  d’oxidació  fins  al  compost  més  oxidat.  (S’obté  ATP  i  NADH)   -­Fase  de  reducció  (es  regenera  el  NAD).     2.6.1  Diversitat  de  les  fermentacions   1)  Fermentacions  comuns   Fa  molts  anys  que  es  coneixen  i  que  es  classifiquen  segons  els  productes  finals   majoritari  que  es  produeix  de  la  fermentació.  Les  fan  molts  microorganismes.       1.1)   Fermentació   alcohòlica:   es   duu   a   terme   generalment   per   llevats   (com   Saccharomyces).  Hi  ha  alguns  bacteris  com  Zymomonas  que  la  realitzen  però   és  diferent  a  la  típica  alcohòlica.  Normalment  s’utilitza  aquest  bacteri  per  obtenir   alcohol/etanol  industrial  i  en  canvi  la  indústria  d’alimentació  s’utilitzen  els  llevats.   Hexosa  à  2  etanol  +  2  CO2     1.2)   Fermentació   de   l’àcid   làctic:   produïda   per   bacteris   grampositius   de   l’àcid   làctic  que  produeixen  lactat  (àcid  làctic)  com  a  principal  o  únic  producte  final.  Són   bacteris  com  Streptoccocus  i  Lactobacillus.         -­Fermentació  homolàctica:  on  només  es  produeix  lactat.     Hexosa  à  2  lactat  +  2  H+     -­Fermentació  heterolàctica:  on  a  més  de  lactat  es  produeix  etanol  i  CO2.       Hexosa  à  Lactat  +  Etanol  +  CO2  +  H+     1.3)   Fermentació   làctica   amb   via   dels   bífids:   on   es   produeix   a   més   de   lactat,   acetat,   àcid   fòrmic,   etanol   i   CO2.   Només   la   realitzen   uns   bacteris   anomenats   Bifidobacterium.  És  la  via  que  més  ATP  produeix,  i  per  tant,  la  més  energètica   des  del  punt  de  vista  del  bacteri,  tot  i  que  per  a  nosaltres  ens  interessen  més  les   anteriors.       Hexosa  à  Lactat  +  Acetat  +  Àcid  fòrmic  +  Etanol  +  CO2  +  H+     Els   bacteris   de   l’àcid   làctic   i   els   Bifidobacterium   s’utilitzen   en   la   industria   agroalimentària,   tant   de   productes   làctics   com   de   derivats   càrnics   (fuet,   xoriços...).  La  majoria  d’empreses  que  fabriquen  producte  mitjançant  aquestes   fermentacions,  utilitzen  starters   o  iniciadors   de  fermentació,  de   manera  que   el   processament   no   es   produeix   de   forma   espontània   sinó   que   està   inoculat   per   nosaltres.  Els  starters  són  concentracions  de  soques  de  bacteris  (cada  empresa   tindrà  les  seves  pròpies  soques)  les  quals  cuiden  i  les  fan  créixer,  per  després   poder  inocular  en  aquella  substància  per  tal  d’obtenir  el  producte  desitjat.       Els  bacteris  làctics  són  cada  vegada  més  coneguts  i  utilitzats  per  la  indústria  de   probiòtics,  tant  per  ús  humà  com  en  animals.  Els  probiòtics  són  mescles  de  n   soques  de  bacteris  amb  elevades  concentracions  dels  bacteris  en  qüestió,  els   quals  formen  part  de  microorganismes  GRAS  (grup  de  microorganismes  que  no   presenten  risc;;  no  presenten  cap  malaltia).  Hi  ha  països  asiàtics  com  el  Japó  on   els  tenen  presents  en  la  seva  dieta  diària,  i  la  seva  venta  està  molt  diversificada   i   establerta   entre   la   població.   Els   probiòtics   en   cap   cas   poden   causar   efectes   negatius  per  al  consumidor,  però  presenten  alguns  beneficis  (no  tots  verificats   com  a  vàlids):   -­Competeixen  amb  possibles  patògens  i  impedeixen  la  seva  colonització   en  el  tracte  gastrointestinal.   -­Utilitzats   en   processos   de   recolonització   de   la   microbiota   del   tracte   gastrointestinal  degut  a  processos  de  reducció  o  pèrdua  (gastroenteritis,   diarrea,  tractament  amb  antibiòtics...).     -­Poden  desenvolupar  diferents  respostes  en  el  cos  al  entrar  en  contacte   amb   el   tracte   intestinal   (augmentar   les   defenses,   reduir   els   nivells   de   colesterol...).       Els   prebiòtics   són   extractes   o   productes   fabricats   pels   probiòtics,   també   consumits  amb  el  mateix  propòsit  que  els  probiòtics.  El  que  ens  estaríem  prenent   serien   compostos   de   biosíntesi   microbiana   (enzims,   proteïnes...)   però   sembla   que   té   més   eficàcia   ingerir   el   microorganisme   directament   (probiòtic)   que   no   només  una  part  del  microorganisme  o  un  producte  d’aquest  (prebiòtic).       1.4)  Fermentacions  d’àcids  orgànics   Són   fermentacions   produïdes   per   Clostridium   (bacteris   anaeròbics   estrictes   generadors  d’endòspores  que  també  poden  fer  l’acetogènesi).  Poden  fermentar   sucres,   aminoàcids,   purines,   pirimidines   i   altres   àcids   orgànics.   Produeixen   productes  interessants  per  la  industria  química  (per  obtenir  compostos  primaris).   Se’ls  hi  dóna  el  nom  del  àcid  orgànic  resultant  majoritari.     EXEMPLES:  Fermentació  del  àcid  butíric  (produeix  butirat),  Fermentació  del  àcid   propiònic  (produeix  propionat),  Fermentació  del  butanol  (produeix  butanol).       1.5)  Fermentació  d’àcid  mixte  o  butanodiol   La  realitzen  els  Enterobacters  (com  E.  Coli,  Salmonella,  Shigella  i  Proteus)  que   són   bacils   gramnegatius   anaerobis   facultatius   no   formadors   d’espores.   Són   microorganismes  molt  importants  des  del  punt  de  vista  clínic  i  mèdic.  Poden  fer   la  via  típica  o  una  variant:     -­La  fermentació  de  l’àcid  mixte  produeix  tres  àcids  diferents:  l’acètic,  el  làctic  i  el   succínic.  També  es  genera  etanol,  CO2  i  H2,  però  no  butanodiol.  Les  quantitats   produïdes   de   CO2   i   H2   són   les   mateixes.   Al   presentar   més   productes   àcids,   acidifiquen  més  el  medi  que  en  la  fermentació  del  butandiol.       -­La  fermentació  del  butanodiol,  és  una  variant  de  la  via  de  l’àcid  mixte  en  la  que   es   genera   menor   quantitat   d’àcids.   Els   productes   principals   d’aquesta   són   el   butandiol,   l’etanol,   el   CO2   i   l’H2.   Les   quantiats   produïdes   del   CO2   són   bastant   més  grans  que  de  H2.       Aquestes   diferències   entre   el   tipus   i   la   proporció   de   productes   de   fermentació   produïts   pels   processos   de   fermentació   d’Enterobacteris   permet   distingir   i   diferenciar  els  diversos  gèneres.  Això  és  molt  important  en  assajos  de  diagnòstic   i  medis  diferencials  en  laboratoris  clínics.       1.6)  Altres  fermentacions   -­Fermentació   homoacetogènica:   bacteris   acetogènics   productors   d’acetat   mitjançant   l’acetogènesis   però   obtenint   energia   per   fosforilació   a   nivell   de   substrat  i  no  per  fosforilació  oxidativa  (respiració).  EX:  Clostridium.       -­Fermentació  metanogènica:  arquees  metanogènics  productors  de  metà  (CH4)   mitjançant   la   metanogènesis,   però   obtenint   energia   per   fosforilació   a   nivell   de   substrat  i  no  per  fosforilació  oxidativa  (respiració).     2)  Fermentacions  inusuals   Són   molt   pocs   conegudes,   perquè   potser   només   la   realitza   una   espècie   determinada  o  només  una  soca.  Aquestes  fermentacions  es  classifiquen  segons   el  substrat  fermentable.       Es   fermenten   compostos   estranys   com   àcids   orgànics   (glicerol,   acetilè...),   molècules   aromàtiques   (resorcinol,   ploroglucinol...),   amb   anells   (benzoat,   glioxilat...)  i  altres  que  no  pensaven  mai  que  podrien  ser  susceptibles  a  fermentar   però  s’ha  trobat  microorganismes  on  es  produeix.  Són  tan  poc  freqüents  que  hi   ha  algunes  com  la  fermentació  de  la  putrescina  que  encara  no  s’ha  classificat  el   tipus  de  grampositiu  que  la  fa.       En   general   en   totes   aquestes   fermentacions   sempre   es   troba   acetat   com   a   producte  final,  sinó  l’únic.               3)  Fermentacions  sense  fosforilació  a  nivell  de  substrat     La   fermentació   d’alguns   compostos   no   produeix   energia   suficient   com   per   sintetitzar  ATP  mitjançant  la  fosforilació  a  nivell  de  substrat  (ja  que  produeixen   menys  de  -­32kJ  necessaris  per  un  ATP).  En  aquests  casos  el  catabolisme  del   compost  està  unit  a  bombes  de  ions  que  estableixen  una  força  motriu  de  protons   o  de  sodi  a  través  de  la  membrana  citoplasmàtica  que  permet  la  síntesi  d’ATP.   Sempre  té  lloc  una  descarboxilació  d’un  àcid  orgànic  que  produirà  un  compost   que  permetrà  l’establiment  del  gradient.     Un   exemple   és   la   fermentació   del   succinat   (un   àcid   dicarboxílic   C4)   per   Propionigenim  modestum.  És  un  microorganisme  gramnegatiu  que  es  pot  trobar   en  sediments  marins  i  d’aigua  dolça  i  també  en  la  cavitat  oral  humana.     En   condicions   anòxiques   P.   modestum   pot   descarboxilar   succinat   formant   propinat,   que   és   el   que   s’excreta.   Però   la   diferència   d’en   ergia   produïda   pel   procés  (ΔG0=-­20kJ)  és  insuficient  per  a  fosforil·lar  a  nivell  de  substrat  l’ATP.       El  propinat  produït  per  una  descarboxilasa  de  membrana  surt  a  favor  de  gradient   cap  a  l’exterior  cel·lular  i  fa  un  transport  simport  (alhora)  amb  un  ió  sodi  (Na+).   Això  provoca  un  gradient  de  Na+  a  través  de  la  membrana  que  permet  sintetitzar   ATP  a  través  d’una  ATPasa  depenent  de  sodi.       La  síntesi  d’ATP  es  fa  mitjançant  un  complex  ATPàsic  i  no  per  fosforilació  a  nivell   de   substrat,   però   es   tracta   d’una   fermentació   perquè   no   hi   ha   cap   acceptor   extern.       Aquest  tipus  de  fermentacions  es  realitzen  sobre  substrats  relativament  oxidats   (com  el  succinat,  l’oxalat  o  el  malonat),  que  produeixen  energia  més  positiva  que   -­32kJ,  i  per  tant,  no  poden  produir  ATP.  Un  requisit  mínim  per  a  que  es  pugui   sintetitzar  ATP  és  la  producció  mitjançant  la  descarboxilació  d’una  energia  lliure   d’almenys  -­12  kJ  que  és  el  que  s’estima  que  costa  bombejar  un  ió  a  través  de  la   membrana.                                             4)  Fermentacions  sintròfiques  o  sintròfia   Són  situacions  en  les  que  dos  organismes  diferents  s’uneixen  per  degradar  una   substància   que   no   podrien   degradar   per   separat.   Només   les   realitzen   quan   el   microorganisme   fermentador   conviu   amb   un   microorganisme   metanogènic   (és   una  simbiosi  metabòlica).  Només  s’ha  conegut  la  sintròfia  en  laboratori  quan  en   comptes  d’utilitzar  cultius  purs,  s’han  utilitzat  cultius  mixtes  amb  diversos  tipus   de  microorganismes.       La  major  part  de  reaccions  sintròfiques  són  fermentacions  secundàries,  en  les   que  organismes  fermenten  els  productes  de  fermentació  d’altres  anaeròbics.  La   transferència  interespecífica  de  H2  es  la  clau  de  tot  el  procés  (producció  de  H2   pel   microorganisme   fermentador   i   consumició   del   H2   pel   microorganisme   metanogènic).       Podem   posar   com   exemple   la   fermentació   d’etanol   a   acetat   amb   la   producció   final  de  metà:     El   microorganisme   fermentador   de   l’etanol   realitza   una   reacció   de   descarboxilació  que  té  un  canvi  d’energia  lliure  positiu  (no  es  pot  produir  ATP)  i   obté  acetat  i  H2.  Tot  i  això,  el  H2  produït  es  pot  utilitzar  com  a  donador  d’electrons   per  la  metanogènesis  en  un  microorganisme  metanogènic  que  amb  CO2  produirà   metà  (CH4).  Quan  es  sumen  les  dues  reaccions,  la  reacció  global  és  altament   exergònica   (negativa)   i   subministra   l’energia   necessària   pels   dos   microorganismes.     Per   tant,   únicament   es   realitzarà   la   fermentació   si   els   dos   microorganismes  estan  junts  en  un  mateix  medi.       Els  sintròfics  utilitzen  els  productes  de  la  fermentació  dels  fermentadors  primaris,   i  alliberen  un  producte  clau  per  metanogènics,  acetogènics  i  altres  consumidors   d’H2.                                             2.7  Fixació  del  nitrogen   A  nivell  metabòlica  hem  vist  el  nitrogen  en:   -­Desnitrificació:  reducció  del  nitrat  (NO3-­)  à  nitrit  (NO2-­)  à  òxid  nítric  (NO)  à  òxid   nitrós  (N2O)  à  nitrogen  gas  (N2).  Nitrat  com  a  acceptor  final  d’electrons.       -­Nitrificació:  oxidació  del  amoni  (NH3)  amb  oxigen  à  nitrit  (NO2-­)  que  s’oxida  a   à  nitrat  (NO3-­).  Amoni  com  a  donador  d’electrons.       Alguns   microorganismes   són   fixadors   del   nitrogen,   i   són   vitals   ja   que   els   procariotes  són  els  únics  éssers  vius  que  poden  fer-­ho.  La  fixació  del  nitrogen  es   tracta  de  passar  nitrogen  gas  (N2)  a  amoni  (NH3).  Per  tant,  es  tracta  d’obtenir  el   nitrogen   de   l’ambient   aeri   i   fixar-­lo   a   la   terra   o   aigua.   Aquesta   capacitat   metabòlica   la   trobem   repartida   en   metabolismes   molt   diversos.   Alguns   són   bacteris  que  no  requereixen  un  hoste  per  realitzar  el  procés  (de  vida  lliure);;  però   d’altres  són  simbiòtics  i  només  fixen  el  N2  quan  s’associen  a  algunes  plantes:       -­Aerobis   de   vida   lliure   estrictes   o   facultatius   (quimioorganòtrofs,   fotòtrofs   o   quimiolitòtrofs).   Com   per   exemple   Cianobacteris,   ,Mycobacterium   o   Pseudomonas.     -­Anaerobis  de  vida  lliure  (quimioorganòtrofs,  fotòtrofs  o  quimiolitòtrofs).   *Dintre  dels  quimiolitòtrofs  trobem  arquees  metanogènics,  per  tant,  també  hi  ha   arquees  que  tenen  aquesta  capacitat  de  fixar  nitrogen,  no  només  bacteris.     -­Microorganismes  simbionts  de  plantes:   -­Lleguminoses:  com  Rhizobium,  Sinorhizobium.     -­No  lleguminoses     La  fixació  del  nitrogen  està  catalitzada  per  un  gran  complex  enzimàtic  anomenat   nitrogenasa  que  consta  de  dues  proteïnes  diferents:  proteïna  I  i  proteïna  II.  I  per   tant,   tots   els   microorganismes   fixadors   del   nitrogen   hauran   de   tenir   aquest   complex.       Tot  el  procés,  però  especialment  el  primer  pas  quan  el  complex  ha  d’actuar  sobre   el  N2  amb  un  enllaç  triple  molt  estable  i  trencar-­lo,  requereix  molta  energia.  Així   doncs,  la  fixació  del  N2  requereix  H2  i  un  gran  consum  d’ATP  (entre  16  i  24  ATP   segons  l’espècie  per  fixar  2  NH3  a  partir  de  N2).  Degut  a  la  quantitat  d’energia   necessària,  el  procés  està  altament  regulat:  si  hi  ha  nitrogen  disponible  al  medi   (NH3  o  NO3-­)  mai  fixaran  N2,  ja  que  s’inactivarà  la  nitrogenasa,  però  si  no  està   disponible,   l’hauran   de   fixar   i   produir   per   ells   mateixos,   amb   l’activació   de   la   nitrogenasa.           Com   en   els   ecosistemes   microbians   existeix   una   gran   demanda   del   nitrogen   fixat,  la  capacitat  de  fixar-­li  confereix  un  gran  avantatge  ecològica  a  les  cèl·lules   capaces  de  realitzar  el  procés.  A  més,  la  fixació  de  nitrogen  és  clau  en  el  cicle   del  nitrogen,  ja  que  sinó  tot  el  nitrogen  seria  nitrogen  gas  i  no  circularia.         [acasals]  Més  apunts  a:  https://unybook.com/perfil/acasals   ...