5. Respiración aeróbica (2017)

Apunte Español
Universidad Universidad Rovira y Virgili (URV)
Grado Biotecnología - 3º curso
Asignatura Metabolismo de microorganismos
Año del apunte 2017
Páginas 5
Fecha de subida 18/07/2017
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TEMA 5. RESPIRACIÓN AERÓBICA Degradación de compuestos orgánicos (fuente de C). El donador de electrones también es orgánico (organismos heterótrofos). El aceptor siempre es el oxígeno. Lo interesante de este metabolismo son los sustratos de partida, ya que tendrán diferentes aplicaciones industriales. Las rutas de este metabolismo dependerán de los sustratos, la mayoría ya las conocemos. Facultativismo: regulación de las rutas del metabolismo central según la disponibilidad de oxígeno. Algunos organismos procariotas son muy versátiles en cuanto a metabolismo: E. coli es la gran representante - Si hay azúcar, oxida mediante ciclo de Krebs; si no tiene oxígeno modifica algunas etapas de éste à ciclo de Krebs truncado à acumulación de o Oxo-Glu o Succ-CoA Variabilidad de las cadenas respiratorias en procariotas. En la diapositiva 3 se muestra la típica de la mitocondria, que también está presente en algunos microorganismos como Paracoccus denitrificans. Cadena E. coli Vemos que tiene dos quinol oxidasas. Éstas actúan dependiendo de la concentración de oxígeno disponible en el medio - Bo3 tiene afinidad moderada - Bd3 tiene alta afinidad Gran adaptación a las variaciones en la disponibilidad del oxígeno Quinol oxidasa bo3: presencia de oxígeno - Enzima NADH-DH tipo I à bomba H+ - Bo3 también actúa como bomba Rendimiento energético ligado a dos bombas de protones Quinol oxidasa bo3: poco oxígeno - Enzima NADH-DH tipo II - ni deshidrogenasa ni bd3 bombean H - rendimiento limitado a H bombeados por las quinonas Sólo se utilizará si no hay más remedio. Puede que le salga más rentable pasar a metabolismo anaerobio Gran diversidad de compuestos utilizables por respiración aeróbica à muchas enzimas La mayoría provienen de biomasa: polisacáridos, azúcares simples, proteínas, aminoácidos, ácidos nucleicos, bases nitrogenadas, ácidos orgánicos, lípidos, glicerol, alcoholes, lignina… También compuestos xenobióticos. Por ejemplo, en los polisacáridos hay una gran gran diversidad. No sólo encontramos celulosa o almidón, sino también algunos presentes sólo en algas como el agar, el paramilano o la lamiranina. METILOTROFIA Y METANOTROFIA. Casos concretos de respiración aerobia. Metilótrofos. Bacterias gramnegaivas que viven a partir de compuestos orgánicos que no presentan enlace C-C (compuestos de carbono C1): metano, metanol, metilamina. También pueden oxidar otros compuestos, pero no son suficientes para su crecimiento, como el etileno (tiene C-C), amonio… Los metilótrofos más importantes son los metanótrofos. La mayoría son metilótrofos obligados; utilizan el metano con mucha facilidad. Importancia ecológica: el metano generado por los metanógenos es reciclado por los metanótrofos. Los metanógenos son anaerobios y los metanótrofos son aerobios, por lo que los últimos viven en el límite donde hay emisión de metano pero ya empieza a haber oxígeno. Importancia ambiental: eliminación del metano, que es un gas de efecto invernadero. Utilización industrial - Obtención de biomasa para piensos: SCP (single cell protein) - Producción de vitaminas, aminoácidos… Pichia pastoris es metilótrofo; gran importancia en la producción de proteínas recombinantes à ponemos gen interés bajo el control de la metanol oxidasa, que permite sintetizar muchísimas copias à gran índice de expresión. Puede crecer con metanol (bajo coste de producción). Utilización del metano Metano monooxigenasa (MMO) Metano à metanol El metanol se pasa a formaldehído à es el intermediario necesario en las rutas de biosíntesis El metano es el compuesto C1, que sirve como fuente de energía y como fuente de C Oxidación completa del metanol a CO2. La célula obtiene NADH, que es el donador de electrones, siendo el aceptor el oxígeno (también es el reactivo de la oxidación del metano, mirar principio de la ruta!!!). Con la translocación de protones se obtiene ATP. Las monooxigenasas también intervienen en la degradación de compuestos xenobióticos. En este caso la MMO tiene como cofactor la metanopterina (MP): dona los electrones a la cadena de transporte, hasta llegar al oxígeno, que se reduce a agua. Hay bombeo de protones à ATPasas Presentan membranas internas en forma de láminas. Dos tipos 1. Membranas en el interior celular a. Incorporación de C mediante vía de la ribulosa monofosfato 2. Membranas alrededor de la membrana plasmática a. Incorporación de C mediante vía de la serina (ciclo de Krebs incompleto) Acumulan las enzimas típicas de la metilotrofia: los metanótrofos acumulan MMO DEGRADACIÓN DE LIGNINA. Polímero fenólico que forma una fibra no polisacárida: unidades de fenilpropano unidos de forma desordenada por enlaces muy diversos à la degradación es bastante complicada à Sólo es degradada por los hongos lignolíticos. La madera está compuesta por celulosa, hemicelulosa y lignina. Para degradarla se necesitan celulasas y hemicelulasas, presentes en diversos microorganismos. Luego los hongos cortan la lignina, dando lugar a anillos aromáticos; los oxidan para abrir el anillo. Una vez degradado se obtiene el humus, que luego da lugar a la turba. Aplicación industrial: ‘biopulping’, obtención de pasta de papel. - Phanerochaete - Pleurotus - Ceriporiopsis subvermispora Enzimas lignolíticas. Actúan conjuntamente para degradar la lignina - Lignina peroxidasa (LiP). Oxida anillos aromáticos a un catión radical à el electrón desapareado desestabiliza la estructura fenólica à anillo se abre o Sustratos: H2O2 y alcohol veratrílico - Manganeso peroxidasa (MnP). Oxida Mn2+ a Mn3+. El Mn3+ oxida fenoles, y se convierte en Mn2+, por lo que la MnP mantiene la concentración de Mn3+ estable. o Su cosustrato es el H2O2. - Lacasa (Lacc). Utiliza oxígeno para oxidar lignina generando radicales fenólicos. Necesita Mn3+, por eso depende de la MnP. Otras enzimas implicadas. Enzimas auxiliares que generan cosustratos - Glioxal oxidasa (GLOX). Glioxal à ácido glioxílico + H2O2 - Aril alcohol oxidasa (AAO). Oxida alcoholes aromáticos produciendo H2O2 - (Enzimas que producen H2O2) OXIDACIÓN INCOMPLETA DE ALCOHOLES. Alcohol/azúcar à ácido orgánico Bacterias acéticas: gramnegativas aerobias móviles; sintetizan celulosa (biofilm) - Acetobacter oxidación total hasta CO2 - Gluconobacter tiene ciclo de Krebs incompleto Obtención de energía: Etanol à acetaldehído à ácido acético - alcohol deshidrogenasa - aldehído deshidrogenasa Para hacer el vinagre utilizan el etanol producido por las levaduras con fermentación alcohólica y lo transforman en ácido acético. Las ubiquinonas translocan protones al exterior para obtención de ATP. El aceptor final de electrones es el oxígeno. Vinagres fermentados de frutas, no sólo hay de vino à aprovechar fruta madura BIODEGRADACIÓN DE XENOBIÓTICOS. Compuestos raros en el ecosistema, artificiales, contaminantes… Muchos tipos de xenobióticos, por lo que hay muchas vías diferentes. Se explican 3 vías de biorremediación: - Mineralización: degradación completa, ya que lo utilizan como fuente de C. Lo oxidan a CO2. Biotransformación: degradación parcial. Sería un cometabolismo porque necesita a otro microorganismo que le de sustratos para utilizarlos como fuente de C Recalcitrancia: no hay transformación y no crece en este entorno BIODEGRADACIÓN DE HIDROCARBUROS. Benzeno, catecol, tolueno… El oxígeno es el aceptor final y el reactivo de las oxigenasas. Benzeno. Primero actúa monooxigenasa incorporando un oxígeno, convirtiéndolo en sustrato + fácil de oxidar à benzeno epoxi + agua à abre anillo: benzediol à catecol + NADH Catecol + dioxigenasa Tolueno + 2 oxígenos gracias a segunda dioxigenasa BIODEGRADACIÓN DE HIDROCARBUROS ALIFÁTICOS. Genes codificados en plásmidos. - Pseudomonas: gramnegativa - Nocardia: actinomicetal grampositiva El octano es un componente de la gasolina; es el primero en ser oxidado mediante monooxigenasas, y así sucesivamente hasta obtener un ácido graso fácilmente metabolizable mediante la beta-oxidación Octano (metil) à octanol (OH) à octanal (aldehído) à ácido octanoico à biosíntesis: acetil-CoA BIODEGRADACIÓN DE PESTICIDAS. Se utilizan pesticidas como el DDT que persisten en la naturaleza hasta 4 años, por lo que suponen un peligro para la salud. Estos compuestos son compuestos orgánicos halogenados, por lo que en su degradación obtenemos cloros. Primero etapas de declorinación y luego oxigenasas abren el anillo à se obtienen compuestos fácilmente oxidables como el succinato o el acetato. COMETABOLISMO DE XENOBIÓTICOS. Cooperación entre dos microorganismos: uno de ellos medio metaboliza un contaminante, lo transforma en intermediario no metabolizable y lo excreta al medio. Como no puede vivir del compuesto xenobiótico, necesita incorporar del medio un sustrato, que le proporcionará otro microorganismos que viva allí. Nocardia es auxótrofo para algunos aa y no sintetiza biotina à se la aporta Pseudomonas. A él le vienen bien los restos celulares presentes al morir las bacterias. En el caso del paratión ocurre con dos bacterias del género Pseudomonas BIOLUMINISCENCIA. Fenómeno que tiene lugar en bacterias marinas, hongos, dinoflagelados, muchos invertebrados, luciérnagas, gusanos, crustáceos… Ha aparecido unas 30 veces en diferentes puntos del árbol filogenético Enzima luciferasa, hay un tipo para cada organismo. El sustrato se llama luciferina de forma genérica; también hay gran variedad. Suele ser un aldehído, que puede ser sencillo o no. Bacterias: aldehído + FMNH2 + O2 à carboxilato + FMN + luz Estará realizando una respiración, pero no habitual. Será una serie de reacciones redox. El FMNH2 es un cofactor que aporta poder reductor. El oxígeno es el aceptor final, se reduce a agua. Se trata de un bypass electrónico, en el que los electrones van directamente del FMNH2 al aceptor final. Luciérnaga: luciferina + ATP + O2 + Mg2+ à oxiluciferina + AMP + PPi + CO2 + luz Luciferina es compuesto orgánico con anillo fenólico que contiene un S. El Mg actúa como cofactor en el proceso de oxidación. Hydrozoo: el sustrato es un compuesto orgánico complejo. Funciona como los anteriores. Este mecanismo interviene en otros procesos celulares: producción de biofilm, reducción de bacteriosinas… todos tienen aplicación directa. Quorum sensing: lo necesario para que se dé la reacción de bioluminiscencia à necesario un mínimo de población (103-104 céls/mL) a partir del que se producen moléculas señal que avisan al resto de los organismos; es una señalización que hace que se expresen todos los genes relacionados con la ruta metabólica. Se trata de una comunicación intercelular en una comunidad bacteriana asociada a defensa. Aplicaciones: - Medida de glucosa con biosensores - Medida de ecotoxicidad en piscifactorías: peces transgénicos (gen bajo control de promotor inducible por un compuesto tóxico o una toxina) - Detección de proteínas - Modelos funcionales ...

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