Respiració anaeròbica - part 2 (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 14
Fecha de subida 18/01/2015
Descargas 38
Subido por

Vista previa del texto

Tema 4: Respiració anaeròbica (part 2): Com veieu, aquí lo que tenim són metanogens i homocetogenics, de fet, nosaltres lo que veurem són dos grups de microorganismes que coexisteixen i de fet creen com una mena de simbiosi entre ells perquè el que genera un l’aprofita l’altre.
El primer grup del que parlarem serà el grup dels metanogens.
En aquest cas són arquees, no són bacteris, que poden produir metà a partir de diferents substrats, els més bàsics, els més senzills serien a partir de hidrogen i CO2, producció de metà i aigua com a producte secundari.
Parlem de quimiolitotròfia peculiar, algunes vegades, alguns llibres una mica antics, els podem trobar en el capítol de quimiolitòtrofs o en el capítol de respiració anaeròbica.
- Quimiolitòtrofs, perquè com utilitzen aquest substrat, són substrats inorgànics, CO2 i hidrogen, però també poden utilitzar compostos orgànics com l’acetat o el metanol. Per tant no són quimiolitòtrofs sempre.
- Respiració anaeròbica, si, perquè no intervé l’oxigen, i lo que hi ha es una respiració que s’aprofita per aconseguir energia, una mena de cadena electrònica, però que no és la típica cadena d’electrons que estem veient sempre, amb quinones, citocroms... per tant tampoc seria el típic representant d’una respiració anaeròbica. Per tant, és un metabolisme diferent.
Tenen un coenzims que només es troben en alguns metabolismes i en aquest de la metanogènesi si que el podem trobar. Com també hem dit, poden utilitzar compostos orgànics i inorgànics, i poden ser compostos senzills o d’altres més complexos. L’acceptor d’electrons i la font de carboni, aquí es barregen una mica els conceptes, ja que és un metabolisme diferent.
El metà, com sabem, és el que després es fa el biogàs, que té una aplicació a nivell de combustible cada vegada més important. El biogàs de forma natural s’allibera a l’atmosfera per la via sobretot biològica. Sobretot de l’activitat ramadera, aquest metà està al rumen dels remugants (el quart estomac dels remugants), aquestos animals fan molt rots, i en aquests rots surt metà. L’elevada emissió de metà cap a l’atmosfera és gràcies als remugants. També és cert que aquests metanogens no viuen només als rúmens d’aquests remugants, sinó que també poden viure en entorns que són anaeròbics, com poden ser camps d’arròs, en aigües estancades sense oxigen. L’activitat humana, òbviament també pot generar metà per exemple en l’activitat industrial, automòbils, minera... però ja són emissions molt més baixes.
La reacció genèrica del metabolisme dels metanogens poden utilitzar metà, metanol, també hidrogen per fer el metabolisme, per tant, no és exclusivament el substrat el hidrogen + el CO2. La producció de metà que es lliura a l’atmosfera és deguda a l’activitat biològica (80%), ja que aquests microorganismes es desenvolupen en aigües estancades, en el 4rt estómac dels remugants i tota aquesta activitat metabòlica en aquests diferents entorns són els responsables de la major part de la emissió de metà. Aquest metà en excés no és bo, però si aquesta activitat es recondueixen per produir el biogàs i utilitzar-lo com a combustible, és positiu.
Dels microorganismes que son metanogens són arquees. Dintre dels arquees tenim els Crenarchaeota i les Euryarchaeota. És un grup relativament homogeni, però com veiem podem trobar dintre dels metanogens petites diferències en base de la seva filogènia. Tenen en comú que en el seu nom tenen el prefix metano, són anaerobis, fan respiració anaeròbica (els trobem en ambients que no tenen oxigen), en les aigües estancades, fons marins (en aquest cas entrarien amb competència amb els reductors de sulfats per H2), en l’estomac dels remugants... però la major part de la diversitat d’aquests generes de la imatge de a baix es troben en fonts termals sota terra (200 m)  (90% metanogènics).
La matèria orgànica es pot descomposar en presència de l’oxigen però també es pot descomposar en condicions anaeròbiques. Aquests metanogens fan part d’aquesta cadena de degradació en al que estarien al final, degradant H2 + CO2, convertint-lo en acetat i finalment en metà.
De polimers complexos (celulosa, proteïnes, lípids, polisacàrids...) hi ha un procés d’hidròlisis que faran toat una sère de bacteris hidrolítics ( que tenen hidrolases, lipases...) i convertiran aquests polimers en monomers, aquests monomers són els que són fermentats per un altres tipus de bacteris fermentadors, que al final donaran àcids orgànics, H2 i CO2.
L’acetat pot ser utilitzat directament pels metanogens, l’H2 i el CO2. Els metanogens, per tant, transformen l’acetat en metà i CO2 o bé a partir del hidrogen.
Biodegradació en condicions anòxiques: Diversitat de microorganismes que utilitzen com a substrat els productes metabòlics d’altres microorganismes.
Els Homoacetogens necessiten el H2 i CO2 per formar acetat, és per aquest motiu que poden viure en coexistència amb els Metogènics, ja que a partir de Acetat faran metà.  (simbiosi) Un model que s’ha estudiat molt és el del Rumen. És el 4rt estomac dels remugants, ja que tenen 4 aquests animals. Això és un procés continu, hi ha el cicle dels productes que s’alliberen de la microbiota que hi ha al rumen i que després aquests nutrients passen al torrent sanguini. Aquest rumen és com un gran fermentador on hi ha una temperatura que és la de l’organisme amb un pH constant, proper a la neutralitat. D’alguna manera el model biològic s’assimila a un bioreactor en condicions relativament controlades. El temps de residència de l’aliment depèn. A banda de bacteris i arquees també hi ha protozous anaerobis.
Per que us feu una mica a la idea de la diversitat de microorganismes que trobaríem fermentadors en aquest rumen, trobem moltíssim tipus de bacteris i arquees. Des de els que son en la primera etapa de hidròlisi, els que degraden cel·lulosa, els que degraden midó... altres que són fermentadors que poden utilitzar lactat... també tenim el detall de la tinció gram, si són negatiu, positiu. En la columna del costat tenim els productes del metabolisme dels microorganismes, en els bacteris que són de les primeres etapes trobarem productes com àcids orgànics.
Tota aquesta degradació tindria lloc al lumen i l’aliment serà convertit primerament en àcids orgànics i després, en una segona etapa, en acetat i finalment en metà. Per tant, els metanogens en sí, ajuden a degradar el substrat, però no aporten cap aliment assimilable per l’organisme. De tota aquesta fermentació i condicions anaeròbiques que es troben al lumen, lo que si que assimilarà l’organisme serà compostos com l’acetat i diferents àcids orgànics fruit d’aquests processos metabòlics.
Lignina no degradada: cal O2 per biodegradació la seva La lignina no pot ser degradada, és la part llenyosa de les plantes i és una cosa que no pot ser digerida pels remugants, els fongs són els únics que la poden degradar i ho fan en condicions aeròbiques.
Ara ja entrem a parlar pròpiament del metabolisme dels metanogens! Els metanogens és un tipus de respiració anaeròbica una mica diferent que no podem comparar amb els elements típics de la cadena respiratòria, sinó que el que trobem és tota una sèrie d’enzims que es classifiquen pels cofactors que tenen. Per tant, ara parlarem dels cofactors del metabolisme dels metanogens.
En realitat que passa amb la metanogènesi? És un procés d’oxidació, una reducció? És obvi que el carboni esta lligat a metà, hi ha una reducció. L’H2 si que s’oxidaria. No podem parlar clarament com en una respiració, de que hi ha una donador (s’oxida) d’electrons i un acceptor (es redueix). D’alguna manera, en aquest cas, el procés d’oxidació reducció és simultani. Una part dels elements que formen part dels substrats es redueixen i una altra part s’oxiden. Hi ha reaccions redox, però no podem definir tant clarament quin és l’acceptor i quin el donador.
Aquí de lo que parlem és d’uns enzims que es parla d’ells com transportadors de carboni.
Anclen el CO2 a les vies metabòliques i uns altres que permeten la reducció d’aquest carboni de CO2 a metà afegint hidrogen.
Aquí tenim coenzims que funcionarien com a transportadors de carboni C1.
Podem veure el Metanofurà, el Metanopterina, La coenzima M (CoM) i la coenzima F430.
Són cofactors complexos excepte el CoM.
Els que estan implicats amb les reaccions redox són el Coenzim F420 i el Coenzim B (CoB). En la imatge tenim el detall de la forma oxidada i reduïda (la reduïda està simplificada, sense el radical).
La transferència electrònica es dona en aquests coenzims.
Quan s’oxida el Coenzim B el que té lloc és la pèrdua de hidrogen i unir-se al coenzim.
I això és recíproc, li permet actuar com a donador i així (no entiendo nah).
Com podeu veure, no hem vist la típica cadena electrònica amb els complexos proteics de tota la vida, sinó que aquí trobem tots aquets enzims que contenen aquests cofactors i són els que intervenen en aquest procés redox fins a la formació de metà.
En alguns metanogens s’emet fluorescència i això és bo per tal de seguir-los a l’hora de treballar amb ells.
Esquema bàsic de cóm funcionarà aquesta transformació de CO2 i H2 en metà. És una cadena redox com les que hem vist però participen enzims diferents. Inicialment tenim el CO2, que serà anclat pel primer transportador de carboni C1 (Metanofurà  que serà la forma d’activar-lo per tal de metabolitzar-lo) i un cop incorporat el metanofurà, el que té lloc es la reducció del CO2 a Formyl (incorpora el primer hidrogen).
En aquest cas tenim la Fd com a intermediari (primer es reduciex i desprès s’oxida).
Aquest Formyl, que té el Metanofurà és transferit amb el coenzim transportador MP (Metanopterina) i hi ha una segona etapa de reducció on el Metanopterina passa a Methylene. Mitjançant la F420 s’incorpora un segon hidrogen transformant-se de formil a metilene.
Desprès, mitjançant la F420 passem de metilene a metil, en aquest cas és el mateix tipus d’enzim, i al final obtenim el metil, amb la tercera etapa de reducció. Encara en aquest pas mantenim anclat el carboni a la MP, quan ja tenim el metil falta la última etapa de reducció, afegir el quart hidrogen per arribar a tenir el metà.
El CoM agafaria el metil (el coenzim té un grup sulfidril  serveix com a lloc d’unió al metil) aquí el F430 el que fan és agafar el grup metil i alliberar-lo en forma de metà. Però, alhora, es dona un procés de reducció, formant el metà, gracies a l’aport del coenzim B (també gràcies al grup sulfidril que té el coenzim) en aquest punt es duu a terme el reciclatge que vam parlar.
S’ha oxidat, perquè li ha cedit el potró al metil, per transformar-lo en metà, y el coenzim M també està en la forma oxidada perquè estava anclat al metil, llavors lo que té lloc és la unió d’aquests dos coenzims mitjançant els dos sofres i afegint dos hidrògens es tornen a separar i es regeneren.
RESUMINT  Té lloc tota una sèrie d’etapes redoxs amb el CO2, el Formil, el Metilè, el Metil i finalment el Metà.
Tot gràcies als cofactors transportadors del C1 i els coenzims redoxs (donadors d’electrons).
La cèl·lula obté l’energia amb un altre procés com podeu veure a la imatge. Per una part d’aquesta reacció d’oxidació del coenzim M aporta bastant energia per donar en funcionament una bomba de Na+. Això és una peculiaritat perquè hi ha relativament pocs microorganismes que utilitzin bombes de Na+ per aconseguir energia. A banda, també funciona la ATPasa. També hi ha un gradient de protons (més fora de la membrana que dins de la cèl·lula degut a aquest metabolisme) per tant ajuda al gradient que passa per la ATPasa.
Utilitzen la mateixa maquinaria enzimàtica que utilitzen per processar el CO2 a metà. No obstant també el poden utilitzar aquests enzims per fer biosíntesis.
La via de la metanogènesi seria una via per produir metà i obtenir energia, també per aprofitar aquests substrats i aquest carboni cap a la ruta de síntesi. En aquest cas, a partir del metanol pot anar cap a la Metanogènesi o en altres dues vies que van cap a Biosíntesis.
Els metanogens incorporen aquest carboni del metanol en les rutes de biosíntesis, que la seva entrada a les vies biosintètiques és en forma d’acetil CoA, per aquest motiu es parla que els metanogens incorporen el carboni pel que s’anomenen les vies de l’acetil CoA.
A partir del metanol cóm fa metanogènesi? En aquest cas, a partir d’un compost oxidat que és el CO2 tindria tota una sèrie d’etapes de reducció, per tant, quan tenim metanol, de fet, el que tenim és un carboni ja una mica més reduït i lo que es dona és la segona etapa (passar de metil a metà). Aquí també tenim producció d’energia per una bomba de Na+ i hi hauria una mica menys d’energia, perquè si recordem, també hi ha una translocació de protons, que era el metanofurà i com aquesta etapa aquí no la tenim es produirà menys translocació i obtindrem menys energia.
A partir del metanol cóm fa la biosíntesis? El metanol s’acaba transformant en acetil coA que es la molècula que si que poden incorporar per la biosíntesis.
Per una banda agafa el grup metil i en aquest cas és la MP. Per tant, si us fixeu, a diferencia de lo que veiem abans, en aquest cas lo que fa són les reacciones inverses de la metanogènesi. En lloc d’anar de metil cap a metà va de metil cap a les formes més oxidades. La MP agafa el metil, després tindríem el metanofurà (MF) que ens indica que la molècula s’anirà oxidant, ja que va al reves de la metanogènesi. Després tindríem el pas al CO2.
Aquest CO2, llavors, és anclat per un enzim que és l’enzim clau de la incorporació del carboni a biosíntesis, que és la CO deshidrogenasa (CODH). A continuació, lo que es fa és: - Per una banda ancla el CO2.
- Per una altra banda, ancla el grup metil que acaba transformant aquest CO2 I acaba convertint aquest metil amb CO2 en acetil, el metil que ve directament del metanol i el CO2 que ve d’aquesta metanogènesi inversa acaben donant lloc al acetil i aquest acetil amb un CoA dona un acetil CoA.
METANOGÈNESI A PARTIR D’ACETAT: El poden utilitzar per produir energia (fer metanogènesi) però també el poden utilitzar per fer biosíntesi. La diferencia quina és? Els enzims que hem vist sempre són els mateixos. Depèn de quin substrat tenen disponible, l’aprofitaran d’una manera o una altra, si partim d’acetat afegint el CoA ja tenim el acetil CoA, per tant, la biosíntesi, al tenir un intermediari que nodreixi les etapes de biosíntesi, en aquest cas és més immediat.
Quan necessiten energia necessiten fer metanogènesi. De fet utilitzen con a intermediari també l’acetil CoA i faria les etapes inverses de lo que hem vist abans mateix. Acabem de veure que la CO deshidrogenasa produïa acetil CoA, però aquest enzim és reversible i pot també formar aquest acetil CoA en metil que transferirà al CoM de la metanogènesi i a CO2, o sigui, que fa la reacció inversa de la que acabem de veure abans.
Per tant, aquest acetil CoA pot anar cap a biosíntesi o cap a metanogènesi quan la cèlula necessita energia. quan necessita energia aquest acetil coA és anclat per la CODH i produeix metil i CO2. Aquest metil, de fet, és transferit al CoM (una de les etapes darreres de la metanogènsi com vam dir abans) i pot donar el CH3-CoM. El CO2 també pot entrar en la metanogènesi, en aquest cas, en la via complerta per transferir hidrogens produint –se al final el metà i producció d’ATP: En l’entorn natural en que té lloc la degradació anaeròbica en la bactèria, el conjunt d’aquest procés, quan ja s’arriben en aquests compostos més oxidats actuen un conjunt de microorganismes, els metanogens aprofiten el hidrogen, el CO2, metanol, acetat... els fermentadors fermenten sucres en condicions anaeròbiques per generar aquests substrats, però també hi ha una altre grup que parlarem ara que són els homocetogenics.
Aquests homocetogenics, com veurem ara, principalment tenen com a producte principal l’acetat i això estableix una certa relació de simbiosi entre metanogens i homocetogenics. Per tant ens centrem en aquest procés de degradació de matèria anaeròbica en els homocetogenics que són un grup diferent de microorganismes. En aquest cas no estem parlant d’arquees sinó de bacteris, però que coexisteixen sempre amb el metanogens amb aquests meta de simbiosi que es dona per la producció d’acetat pels homocetogenics i l’aprofitament d’això pels metanogens.
Els substrats de partida són compartits amb els que també poden utilitzar els metanogens, per tant, aquí hi ha una doble relació de competència per alguns substrats, però de cooperació en quant a l’aprofitament de l’acètic per part dels metanogens.
Aquests bacteris cal no confondre’ls amb els bacteris acètics del vinagre. No tenen res a veure amb aquests bacteris, un dels exemples de bacteris del vinagre és l’acetobacter, per tant, hem d’anar amb compte, els del vinagre són aeròbics, i només poden oxidar l’etanol a acètic en condicions d’aerobiosi.
Aquests bacteris homocetogenics són bacteris gram positius, els trobem en molts representants. Aquests bcteris són facultatius, en condicions d’anaerobiosi poden fer aquest metabolisme, però en un altre entorn poden estar respirant o fermentant. Podem veure algun gènere com els Clostridis, exemple del Clostridium aceticum i un altre és el Acetobacterium woodii.
Aquest metabolisme té coses en comú amb la metanogènesi, d’elements són diferents, però és el tipus de respiració anaeròbica peculiar, no tenen les quinones i les molècules peculiar, es tracta també d’un procés redox però intervenen uns cofactors diferents. És anaeròbic, no té cicle de Calvin, que és lo que fan també les vies de l’acetil CoA per incorporar carboni en la biosíntesi (punt de coincidència amb els metanogens) però a l’altra banda tenim altres aspectes que fan que siguin diferents dels altes, com pot ser el THF (tetrahidrofurà) un cofactor diferent dels del metanogens. Aquests poden utilitzar sucres i també tenen una peculiaritat, que és un dels metabolismes que integra tres formes d’obtenció d’energia bastant curiós: - Força motriu H+ - Força motriu Na+ - Fosforil nivell substrat (SLP) Els homocetogenics l’aplicació més important que tenen és la de producció de biogas.
En aquest cas els substrats de partida són dos hidrògens, igual, però el producte final és l’acetat, per tant, passem d’un compost amb un carboni a un compost bicarbonat, el que hi ha és una doble entrada de CO2, que és lo que tenim representat en la imatge.
Dues molècules de CO2 donaran lloc a l’acetat, també intervé el hidrogen, perquè de fet, el que té lloc és la reducció d’una d’aquestes molècules de CO2 a metil i l’altre que s’incorpora tal qual per donar lloc al grup carbonil.
Aquí tenim el detall de les etapes enzimàtiques, per tant, el CO2 més l’H2 és anclat pel THF, que al igual que els metanogens és un cofactor que ancla el carboni. Desprès passa el grup metil, per tant hi ha una segona reducció com en la metanogènesi amb més hidrogen i aquí el grup metil és transferit a la CO deshidrogenasa amb la necessitat de Fe i Ni. Aquest cofactor es transferit a la CODH i el carbonil ve directament d’una altra molècula de CO2. Per tant, bàsicament els enzims claus són la CODH que ensabla una molècula de CO2 en forma de carbonil i una altra molècula de CO2 en forma de metil. Desprès la CODH transfereix l’acetil al CoA i aquest l’allibera en forma d’acetat que és el producte principal.
Per una banda hi ha força motiu gràcies a la bomba de Na+, és a dir, aprofita l’energia que allibera aquesta reacció exotèrmica i promou el funcionament d’una bomba de Na+, que agafa el sodi de l’interior de la cèl·lula cap a l’exterior. També hi ha una fosforilació a nivell de substrat, pot ser la fosforilació directa pel substrat, o bé quan hi ha acetil coA que es trenca, el CoA va per una banda i l’acetat per un altra, aquest enllaç és altament energètic i per tant, el substrat, que és l’acetil CoA, promou aquesta fosforilació per fosforilar un ATP.
Hi també està la força protomotriu, igual que els metanogens, en aquest procés redox, en les etapes primeres hi ha transferència, quan aquests cofactors passen de la forma reduïda a la oxidada, el que fan es extreure protons cap a l’exterior, i això fa que també tinguem la tercera via d’obtenció d’energia.
COMPARACIÓ DELS METABOLISMES DOS Partint dels mateixos substrats, en el cas dels metanogens ja hem vist que poden ser altres, poden ser acètic o metanol, però compartirien hidrogen i CO2. En el cas del metanogens es forma el metà i en el cas dels acetogènics l’acetat.
Aquí, l’interessant d’aquest esquema és la comparativa del rendiment energètic que supondria, evidentment, que pels metanogens s’utilitza una molècula de CO2 i els acetogenics utilitzen dos, això està clar. L’acetogènesi és una miqueta més rentable, és una via més curta. Els acetogenics poden fer biosíntesis amb l’acetat si volen també.
Com vam dir, l’aplicació més important és la de producció de biogàs. Un dels tipus d’energies més sostenibles que s’estan utilitzant ara.
Aquí tenim un diagrama que defensa la biosostenibilitat del biogàs.
Tenim la planta de producció (amb els bioreactors de la digestió anaeròbica de la matèria orgànica). el reciclatge seria d’aquesta combustió on només sortiria vapor d’aigua d’aquestes plantes industrials, ja que la combustió d’acetat dona aigua. Això retornaria una altra vegada a la natura, les plantes,s són aliments dels animals, i això defensa la sostenibilitat d’aquest procés. Les restes de matèria orgànica no digerida es poden utilitzar com fertilitzants en l’agricultura.
...