Bloque 3-Metabolismo bacteriano (2015)

Apunte Español
Universidad Universidad de Lleida (UdL)
Grado Ciencias Biomédicas - 2º curso
Asignatura Microbiologia
Año del apunte 2015
Páginas 14
Fecha de subida 08/04/2016
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2º C. Biomédicas (UdL) Irene LV MICROBIOLOGÍA BLOQUE 3. METABOLISMO BACTERIANO Toda bacteria necesitará llevar a cabo toda una serie de procesos metabólicos a partir de una fuente de energía para poder multiplicarse.
Al igual que en el caso de los humanos, el ATP también es la moneda de cambio del metabolismo bacteriano. A partir de una fuente de C y de ATP se sintetizan los precursores intracelulares.
Las diferencias entre el metabolismo de las bacterias y el metabolismo de los seres humanos comienzan al hablar de cuál es esa fuente de C (puede ser un compuesto orgánico, CO2) y de cuál es la fuente de energía (existen bacterias fotosintéticas, por ejemplo).
De la combinación de las distintos tipos de fuentes de energía y de carbono , surgen cuatro tipos nutricionales de bacterias: Las bacterias quimiheterótrofas llevan a cabo el mismo tipo de metabolismo que los seres humanos. Por otra parte, los metabolismos quimiautótrofos (también conocidos como quimiolitótrofos) y los fotoheterótrofos sólo se encuentran en bacterias.
1 Microbiología Los quimiolitótrofos o quimioautótrofos son capaces de convertir unos compuestos inorgánicos en otros mediante procesos de oxidación en los que se obtiene energía que puede convertirse en ATP. Estas bacterias fijan el C atmosférico.
Algunas bacterias acoplan la energía generada en las oxidaciones a la producción de ATP, gracias a la cadena de transporte de electrones. Es necesario que hay un compuesto aceptor de los electrones, que en este caso es el O2.
En la cadena de transporte de electrones se crea un gradiente electroquímico (se pierden cargas + en el interior que salen al exterior y se acidifica el medio externo respecto al interior) que activa una ATPasa. Cuando el O2 acepta los electrones que se han transferido a los citocromos se produce ATP.
En estas reacciones de transferencia de electrones no se genera poder reductor, necesario para la biosíntesis. Parte del ATP generado en la cadena de transporte de electrones debe emplearse para la obtención de NADH: los electrones que salen de la cadena no pueden reducir NAD+ a NADH de manera espontánea, ya que deben pasar en contra de gradiente que implica coste energético.
En la cadena de transporte de electrones, éstos se han movido "hacia abajo", movimiento que se produce de manera espontánea y genera energía. Para que se produzca la reducción del NAD+, los electrones deben moverse "hacia arriba" en lo que se conoce como FLUJO INVERSO DE LOS ELECTRONES.
2 2º C. Biomédicas (UdL) Irene LV METABOLISMO QUIMIOHETERÓTROFO Las bacterias quimioheterótrofas obtienen su energía básicamente de la oxidación de compuestos orgánicos reducidos. El ATP se obtiene a partir de dos vías: -Fosforilación oxidativa - respiración.
-Fosforilación a nivel de sustrato - fermentación. No implica transporte de electrones como la respiración.
El ATP y el NADH generados se emplearán en las rutas biosintéticas (reacciones anabólicas). La fuente de C la aportan los mismos compuestos orgánicos a partir de cuya oxidación de produce ATP.
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Como ya hemos visto, un transporte de electrones crea un gradiente electroquímico entre un lado y otro de la membrana que activa a una ATPasa. El aceptor final de los electrones puede ser: - O2 en la respiración aerobia.
- Compuesto inorgánico distinto del O2 - NO3-, SO42-,...- en la respiración anaerobia.
Hay bacterias que realizan la respiración aerobia pero son capaces de emplear otro aceptor final de los electrones cuando no hay O2 disponible (bacterias anaerobias facultativas).
3 Microbiología La respiración tiene lugar en la membrana plasmática de la bacteria, que tiene transportadores de electrones. Hay todas una serie de transportadores de electrones: quinonas y citocromos, de distinta composición que los de los mamíferos.
El transporte electrónico determina un bombeo de protones desde el citoplasma hacia el espacio periplásmico, lo que conlleva una acidificación del espacio periplásmico y la basificación del citoplasma.
En la cadena de transporte electrónico de las bacterias se puede producir el fenómeno conocido como ADAPTACIÓN A CONDICIONES CAMBIANTRES DE AEROFILIA.
En las bacterias se pueden encontrar cadenas de transporte de electrones ramificadas: en determinadas condiciones, la bacteria puede elegir utilizar un transportador u otro. El origen de la cadena siempre es común: fruto de la oxidación de compuestos orgánicos se genera NADH que se oxida, dando NAD+ por un lado y electrones y protones por otro. El camino que sigan estos e- y H+ dependerá de las condiciones ambientales.
- Cuando las condiciones ambientales sean pobres en O2 (microaerofilia), a la bacteria le interesa utilizar una citocromo oxidasa (enzima que lleva finalmente los electrones y protones al aceptor) que tenga una gran afinidad por el O2.
-Cuando el ambiente tenga altos niveles de O2, a la bacteria le interesará utilizar una cadena de transporte que termine en otra oxidasa con menor afinidad pero mucho más efectiva.
Esta posibilidad es muy importante para las bacterias ya que les permite adaptarse a situaciones ambientales cambiantes (en nuestro organismo no es necesario porque los niveles de O2 se mantienen estables).
Además, estas distintas cadenas no tienen por qué estar presentes al mismo tiempo ya que hay bacterias capaces de regular la expresión génica en función de las condiciones ambientales (normalmente se mantiene una concentración basal de los citocromos que no son necesarios por si se produjera un cambio repentino de las condiciones).
GENERACIÓN DE ROS Y MECANISMOS DE DEFENSA Debido al movimiento de electrones de la cadena, en la bacteria se generan Especies Reactivas del Oxígeno o ROS (se producen por el desvío de estos electrones, que reaccionan con otras moléculas): - RADICAL SUPERÓXIDO. Se genera por la reacción directa de una molécula de O2 con un electrón.
- PERÓXIDO DE HIDRÓGENO. Se genera a partir del radical superóxido.
- RADICAL HIDROXILO. Se trata de la más tóxica y reactiva.
Es la única ROS para la que no existe sistema enzimático capaz de convertirlo en una molécula inocua (detoxificarlo).
Para el radical superóxido y el peróxido de H sí que existen MECANISMOS DE DEFENSA: - Catalasa: es una enzima que corta el peróxido de H, formando H2O y O2.
- Peroxidasa: enzima que reduce el peróxido de H con NADH + H+.
- Superóxido dismutasa: enzima que dismuta el superóxido mediante la siguiente reacción: dos superóxidos reaccionan con dos protones, formándose un peróxido y una molécula de O2; este peróxido se detoxificará gracias a la peroxidasa o a la catalasa. Por tanto, para ser eficaz, la superóxido dismutasa debe estar acoplada a una catalasa o a una peroxidasa.
Toda bacteria aerobia (que respire con O2) se ve obligada a contar con estos sistemas.
4 2º C. Biomédicas (UdL) Irene LV Hay bacterias que carecen de cadenas de transporte electrónico (no respiran aerobiamente) y que pueden vivir en presencia de O2 sin tener sistemas de defensa para las ROS.
FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO Se produce una cadena de reacciones en una de las cuales se fosforila un compuesto. Se crea un compuesto intermedio fosforilado con un enlace muy rico en energía. Cuando este compuesto se convierte en otro, la energía del enlace fosfato se transfiere al ADP, que se convierte en ATP . Por tanto, el ATP se forma por transferencia de un enlace fosfato rico en energía de un compuesto intermedio a una molécula de ADP.
La fosforilación a nivel de sustrato es típica de las fermentaciones.
Existen bacterias FERMENTADORAS ESTRICTAS (es decir, que sólo emplean este mecanismo) y bacterias FERMENTADORAS FACULTATIVAS, que obtienen el ATP vía fermentación o respiratoriamente en función de las condiciones ambientales.
RELACIÓN DEL TIPO DE METABOLISMO CON EL TIPO ECOLÓGICO Existen tres tipos ecológicos (o tipos de vida) en las bacterias.
Por lo general las bacterias anaerobias facultativas son muy versátiles, aunque hay excepciones: - Bacterias lácticas: no tienen cadena de transporte de electrones por lo que son fermentadoras estrictas aunque ecológicamente son facultativas porque pueden vivir en presencia y ausencia de O2.
5 Microbiología METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS Se produce la conversión del polisacárido por hidrólisis en monómeros. parte de un polisacárido, que generalmente es glucosa. Si la fuente de C es glucosa, ésta se convierte en pirúvico por la vía de la glucólisis (igual a la del metabolismo de los humanos). Cuando se trata de un polisacárido distinto, existen vías metabólicas para convertirlo en glucosa o en algún derivado/metabolito.
El metabolismo central del ácido pirúvico es igual en bacterias y en organismos superiores.
En la propia conversión de glucosa en ácido pirúvico se liberan ATP y NADH.
Las diferencias entre bacterias y el resto de organismos comienzan en los procesos que no implican cadena de transporte de electrones, es decir, las fermentaciones.
Además, la vía de la glucólisis no es universal para las bacterias, es decir, no todas la llevan a cabo.
El NADH (reducido) se obtiene a partir de la oxidación de un donador que, en el metabolismo quimioautótrofo es la propia fuente de C. Esta fuente de C se convierte en Acetil CoA, que entra en el ciclo de Krebs.
6 2º C. Biomédicas (UdL) Irene LV FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO (FERMENTACIONES) Se parte de un compuesto inicial, que será el donador de protones y electrones. Este compuesto inicial se convierte en una sucesión de intermediarios mediante una serie de reacciones en las que se irá liberando energía que, finalmente, en algún punto se acoplará a la producción de ATP.
El compuesto orgánico, generalmente glucosa, pasa por una serie de reacciones en las cuales se donan electrones produciéndose NADPH, NADH y ATP. En alguna de estas reacciones se genera un intermediario fosforilado, que almacena una gran cantidad de energía en el enlace fosfato; esta energía se acaba destinando a la molécula de ATP.
Se forma ATP por fosforilación a nivel de sustrato por dos vías: Paso de 1,3-bisfosfoglicerato a fosfoglicerato Paso de fosfoenolpiruvato a piruvato.
La fermentación bacteriana se divide (como puede verse en la imagen) en tres estapas o estadios: Estadío 1 - reacciones preparatorias que no implican oxidación-reducción. Paso de glucosa a fructosa1,6-bisfosfato. Se producen reacciones que consumen energía.
Estadío 2- oxidación. Se dan reacciones de oxidación cuyo producto final son dos moléculas de piruvato. Durante esta etapa se producen moléculas de ATP en las reacciones antes comentadas.
El rendimiento de la glucólisis en bacterias es igual al rendimiento de la glucólisis en organismos superiores.
Estadío 3 - reducción. El piruvato se reduce gracias a la oxidación del NADH, dando lugar a los diferentes productos de fermentación. Los NADH que se han formado en los dos estadíos anteriores deben retirarse de la circulación, por lo que se oxidan, reduciendo el piruvato.
7 Microbiología TIPOS DE FERMENTACIÓN El tipo de fermentación de la bacteria viene definido por el producto final.
 Fermentación alcohólica - el producto final es el etanol. Para formar el etanol, los dos piruvatos sufren un proceso de descarboxilación donde se liberan dos moléculas de CO2. Después, se utilizarán los dos NADH formados previamente para reducir el acetaldehído a etanol. La fermentación alcohólica es llevada a cabo por las levaduras.
2 ATP 2 pirúvico CH3CO - COOH 1 GLUCOSA CO2 2 CH3CHO (acetaldehído) 2 NADH 2 CH3CH2OH Etanol 8 2º C. Biomédicas (UdL) Irene LV   Fermentación ácido mixta: el producto final es un mezcla de ácidos- Hay bacterias que forman, a partir del piruvato, acetato y ácido fórmico por ejemplo. Otras, siguen descomponiendo el ácido fórmico en H2 y CO2.
La fermentación ácido mixta es muy importante para la identificación de enterobacterias.
Fermentación homoláctica: el producto final es el ácido láctico. El piruvato es reducido directamente por el NADH. Algunas bacterias lácticas son patógenos.
2 ATP 2 ÁCIDO PIRÚVICO 1 GLUCOSA 2 NADH CH3CHO - COOH Ácido láctico    Fermentación acética: el producto final es el ácido acético.
Fermentación butírica: el producto final es el butirato (este producto huele mal y está muy relacionado con el olor de los cadáveres).
Fermentación propiónica: el producto final es el ácido propiónico.
Cada especie bacteriana tiene un rango de compuestos fermentables y uno o unos pocos productos finales. El hecho de que haya bacterias capaces de fermentar diversos tipos de compuestos y no solo monosacáridos, es la base de la descomposición de la materia orgánica muerta.
La capacidad de fermentar unas sustancias y producir unos determinados productos es muy importante para el diagnóstico microbiológico. En la gran mayoría de casos, como ya hemos visto, los productos son ácidos orgánicos. Cuando la bacteria fermenta un sustrato, lo normal es que el producto se acumule en el medio: si este sustrato es ácido, acidificará el medio y podrá detectarse fácilmente con un indicador de pH - es la base de muchas pruebas bioquímicas.
9 Microbiología Por ejemplo, contamos con dos cepas diferentes, una de las cuales tiene capacidad de fermentar lactosa.
La cepa que fermenta lactosa liberará ácido al medio y hará que baje el pH - las colonias de la cepa fermentadora cambiarán de color con un indicador de pH.
Se puede subdividir en anabolismo en dos etapas que tienen lugar de forma sucesiva en el tiempo: - Transporte de nutrientes: es necesario que los nutrientes pasen del medio extracelular al medio intracelular. Muchas veces es necesario el consumo de ATP para este transporte.
- Rutas biosintéticas específicas.
TRANSPORTE EN BACTERIAS En bacterias, existen cuatro tipos de transporte distintos en función de los siguientes criterios: - Si un nutriente concreto tiene o no un transportador específico.
- Si el transporte consume o no energía (sea cual sea esta forma de energía)  cuando no hay gasto de energía, el transporte tiene que ser siempre a favor de gradiente.
- Si la molécula transportada se modifica químicamente.
DIFUSIÓN PASIVA Este tipo de transporte no requiere consumo de energía (por eso es transporte pasivo). Además, no es necesario modificar la molécula transportada y no hay transportadores específicos de las moléculas. Las sustancias que se transportan mediante difusión pasiva son capaces de atravesar la membrana.
DIFUSIÓN FACILITADA Es similar a la difusión pasiva ya que no requiere gasto de energía ni la modificación química de la molécula, pero sí se necesita un transportador en la membrana plasmática. Este transportador cambia de conformación de manera espontánea. Un ejemplo es el transporte que se lleva a cabo gracias a las porinas.
10 2º C. Biomédicas (UdL) Irene LV La velocidad de transporte de la difusión facilitada es mayor que la velocidad de la difusión pasiva hasta llegar al punto de saturación (cuando todos los transportadores están ocupados).
Por tanto, podemos ver que la difusión facilitada es más eficiente que la difusión pasiva.
TRANSPORTE ACTIVO En la bacteria se produce a nivel de la membrana plasmática. Se requiere consumo de energía y es necesaria la presencia de un transportador específico para cada molécula en la membrana plasmática.
Por ejemplo, el transporte activo que experimenta la lactosa gracias a la proteína lactosa permeasa (específica para la lactosa). Para que la permeasa pueda transportar la lactosa, la membrana plasmática debe estar energizada, es decir, debe haber un gradiente electroquímico - parte de la energía electroquímica no se usa para obtener ATP sino para activar la permeasa; es por eso por lo que este transporte consume ATP indirectamente, ya que gasta gradiente electroquímico que ya no se podrá emplear para la síntesis de ATP (por tanto, consume energía electroquímica). Ocurre lo mismo con el resto de permeasas.
TRANSLOCACIÓN DE GRUPO Se trata de un transporte activo (requiere consumo de energía), que necesita un transportador específico y que implica la modificación química de la molécula transportada. Un ejemplo de este tipo de transporte es el SISTEMA FOSFOTRANSFERASA (estudiado en la E. Coli) empleada por las bacterias para transportar glucosa desde el exterior de la célula hasta el citosol. Se requiere la actuación de cinco enzimas: la enzima I, la enzima HPr y el complejo enzimático II, formado por la subunidad a, la subunidad b y la subunidad c, una proteína integral de la membrana plasmática.
Salvo la subunidad IIc, el resto de enzimas están situadas en el citoplasma.
La enzima I se fosforila de forma acoplada a la conversión de fosfoenolpiruvato en piruvato: el fosfoenolpiruvato actúa como donador de fosfato de la reacción. Como el fosfato obtenido del paso de fosfoenol-pyr a pyr no se emplea para sintetizar ATP, la translocación de grupo consume energía indirectamente, ya que este fosfato va pasando por todas las enzimas hasta llegar a la IIc. Por tanto, el coste energético es la NO producción de ATP.
11 Microbiología Las enzimas I y HPr no son específicas para la glucosa e intervienen en el transporte de otros compuestos, pero el complejo enzimático II (lo que incluye a las tres subunidades que lo forman) sí lo es.
La enzima II c transfiere el fosfato a la glucosa; gracias a la enzima II c que cataliza la reacción, la glucosa entra al citosol convertida en glucosa-6-fosfato, que entrará directamente en la glucólisis. La enzima II c sufre un cambio conformacional que requiere la energía del enlace fosfato rico en energía, lo que supone que el enlace de la glucosa-6-P no es rico en energía.
La translocación de grupo constituye un canal solo de entrada. Las bacterias utilizan sistemas de salida de compuestos muy complejos.
Hay algunos tipos de moléculas que son transportadas de forma muy específica, como por ejemplo, el hierro.
El HIERRO es muy importante para la función de muchas enzimas bacterianas (ya que actúa como cofactor de enzimas como la ribonucleótido reductasa o los citocromos). Además, se trata de una sustancia relativamente poco abundante en la naturaleza respecto a las necesidades de las bacterias; el hierro que se encuentra en la naturaleza es el hierro sólido, insoluble, mientras que el que necesitan as bacterias el es Fe+3 soluble. Es por esto por lo que todas las células han desarrollado mecanismos de captación para el hierro.
Muchas bacterias secretan al exterior SIDERÓFOROS: moléculas pequeñas con gran afinidad por el hierro. Ejemplos de sideróforo son el ferricromo y las enterobactina, que tienen dos átomos de O para poder captar el hierro (captan el hierro oxidado -Fe+3). Los sideróforos son reconocidos por moléculas de la superficie de la bacteria, los receptores de sideróforo, normalmente bastante específicos. Existen distintas familias de sideróforo y distintas familias de receptores.
Tras la unión del complejo sideróforo-Fe+3 al receptor, el hierro férrico se reduce a hierro ferroso (+2) y se endocita. La diferencia entre el hierro y otros nutrientes es que, al ser tan poco abundante, las bacterias "salen" a buscarlo mediante la secreción de quelantes.
12 2º C. Biomédicas (UdL) Irene LV A continuación se muestra, un esquema general de las rutas biosintéticas que implican el metabolismo de moléculas carbonadas: Hay toda una serie de bacterias que son poco exigentes nutricionalmente, lo que les permite vivir en medios muy pobres en nutrientes. Estas bacterias son capaces de sintetizar todos los compuestos de carbono a partir de un solo compuesto: un azúcar, mayoritariamente la glucosa (aunque puede ser cualquier otro ya que se pueden convertir).
No todas las bacterias son capaces de hacerlo: las que son más exigentes nutricionalmente han perdido los genes que codifican para las enzimas que catalizan algunas reacciones necesarias para todas estas reacciones.
Un FACTOR DE CRECIMIENTO es cualquier molécula que la bacteria necesite para su crecimiento pero que no pueda biosintetizar, por lo que debe encontrarse en el medio.
Las bacterias poco exigentes nutricionalmente, tendrán por tanto, pocos factores de crecimiento.
Las bacterias no solo necesitan C para crecer; también necesitan una fuente de N, que pueden ser por ejemplo, nitritos (NO2-), nitratos (NO3-), el amonio (NH4+), aminoácidos, … La bacteria tenderá a utilizar aquella fuente de nitrógeno que le cueste menos energía asimilar, como los aminoácidos que ya pueden incorporarse directamente en las rutas de síntesis de proteínas (pasar de nitritos a amonio ya cuesta energía).
Por tanto, la bacteria regulara su metabolismo en función de las condiciones ambientales.
Por otro lado, la bacteria también necesita una fuente de S: necesario porque forma parte de los aminoácidos Met y Cys entre otras cosas. Puede emplear SO42-, S -, … aunque si hay aminoácidos disponibles, tenderá a utilizarlos para ahorrar energía.
13 Microbiología También es necesaria una fuente de P, cuya única alternativa para conseguirlo es el fosfato (PO43-).
Además, aparte de estos elementos (que son los que la bacteria necesita en cantidades más altas), las bacterias también necesitan Fe, Ca, Mg, CL, Na y K, asimilados normalmente del medio como iones.
Por otra parte, están los OLIGOELEMENTOS, que son aquellos elementos que la bacteria necesita en cantidades muy pequeñas, como por ejemplo: Mn, Zn, Cu, Co, … Si la concentración de los oligoelementos en la bacteria aumentara mucho (más de lo que la bacteria necesita), éstos catalizarían reacciones en las que se producen ROS, por lo que se generaría estrés oxidativo en la bacteria.
Las bacterias debes regular su metabolismo en función de las condiciones ambientales: emplean diferentes mecanismos para regular la expresión génica.
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