METABOLISMO ENERGTICO BACTERIANO Metabolismo Reacciones de mantenimiento catabolismo
METABOLISMO ENERGÉTICO BACTERIANO
Metabolismo Reacciones de mantenimiento (catabolismo): ü Energía Anabolismo: biosíntesis ü Poder reductor ü Precursores metabólicos
Producción de ATP üFosforilación a nivel de sustrato (fermentaciones) üFosforilación oxidativa (respiraciones) üFotofosforilación (fotosíntesis) Reacciones redox exergónicas G 0'= - n·F· E 0' F = cte. de Faraday = 96, 6 k. J·volt— 1·equivalen E 0' es la diferencia entre los potenciales de reducción del donador y del aceptor
Torre de electrones
Transportadores de electrones FAD Hem Coenzima Q NAD
Tipos de metabolismos energéticos Bacterias fotótrofas Bacterias quimiótrofas
• C Esqueleto macromoléculas (normalmente también aportan O e H, salvo el CO 2). • Probablemente todos los organismos puedan fijar CO 2 en pequeñas cantidades • Se reserva la denominación de Autótrofos para los organismos que usan CO 2 como fuente única o principal de C (se requiere gran cantidad de E para esto). • La mayoría de los autótrofos son fotosintéticos, algunos oxidan moléculas inorgánicas para obtener E. • Heterótrofos usan moléculas orgánicas preformadas y reducidas para obtener C y E.
Fuentes de carbono, electrones y energía • Fuente de carbono Heterótrofos: compuestos orgánicos Autótrofos: C 02 • Fuente de energía: Fotótrofos: luz Quimiótrofos: oxidación de compuestos orgánicos o inorgánicos • Fuente de electrones Litótrofos: compuestos inorgánicos reducidos Organótrofos: compuestos orgánicos
Principales. Tipos Nutricionales de Microorganismos Fuente de C, E y e Microorg represent
Cadenas de transportadores de electrones y fuerza protón motriz
Cadenas de transportadores de electrones y fuerza protón motriz • • • NADH deshidrogenasas, unidas a la cara interna de la membrana. Aceptan átomos de H a partir del NADH, y se los ceden a las flavoproteínas Flavoproteínas (Fp, un tipo de riboflainas), dotadas de grupos FAD o FMN. Pueden acepar átomos de H, pero a su vez ceden electrones. Proteínas no hémicas de Fe-S (Fe/S proteínas). Algunas poseen agrupamientos de Fe 2 S 2 (como la ferredoxina) y otras Fe 4 S 4. Transportan solamente electrones. Quinonas. Son moléculas muy hidrofóbicas, inmersas en la membrana, capaces de moverse dentro de ella. Sirven como aceptores de átomos de H, pero sólo ceden electrones. En bacterias podemos encontrar dos principales tipos de quinonas: ubiquinona (UQ)menaquinona (MQ), más frecuente en bacterias Gram-positivas. Citocromos (proteínas hémicas con Fe quelado). Sufren oxidación y reducción por pérdida y ganancia de un electrón cada vez, a través del Fe del centro de la molécula. Los citocromos son de varias clases, según el tipo de grupo hemo (ej. tipo a, b, c, etc), y a veces forman complejos fuertes con otros citocromos (ej. , cit bc 1) o con Fe/S-proteínas.
• • F 0 complejo integral de membrana, trasloca protones. La subunidad a es la encargada de canalizar los protones a través de la membrana, mientras que las dos subunidades b sobresalen hacia el lado citoplásmico, interaccionando con la F 1. Las 12 subunidades de c se disponen formando una especie de cilindro transmembranoso, capaz de rotar en ambos sentidos. F 1 constituye la porción intracitoplasmática, dotada de los sitios catalíticos. La parte más saliente de F 1 consta de 3 subunidades alternando con 3 subunidades . La traslocación de unos 3 o 4 protones a través de F 0 está acoplada, por medio de grandes cambios conformacionales, a la síntesis de una molécula de ATP mecanismo de catálisis rotacional: El que los 3 -4 protones entren por F 0 (probablemente a través de la proteína a) provoca la rotación del cilindro de c 12, lo que supone una torsión que se transmite a la F 1 a través de las proteínas . lo que a su vez provoca un cambio conformacional en las subunidades . El cambio conformacional en las subunidades permite que a ellas se una ADP y Pi. El trabajo realizado por el sistema se usa para producir entonces el ATP, volviendo las a su configuración original, preparadas para un nuevo ciclo de síntesis de ATP. La función de b 2 es equivalente a la del estator del motor: sirven para evitar que las y se muevan cuando se produce la torsión de .
Sideróforos Ferricromo: hodroxamato cíclico producido por hongos Enterobactin: catecolato cíclico producido por E. coli El ión Fe+++ forma complejo con tres grupos sideróforos Aquaquelina: porción proteica de unión a Fe
QUIMIOLITOTROFÍA ü En los quimiolitotrofos, el donador de electrones es una molécula inorgánica reducida. Esta capacidad sólo ha evolucionado en ciertos grupos de procariotas ü Quimiolitotrofos “típicos”: son por lo general respiradores aerobios ü Fijan CO 2 por el ciclo de Calvin, disponen de reservas de Ru. Bis. Co (oxidan el H 2 hasta H 2 O) Alcalígenes eutrophus, Pseudomonas facilis, Aquaspirillum autotrophicum, etc Nitrobacter del hierro (pasan Fe 2+ a férrico, Fe 3+) Thiobacillus ferrooxidans, lixiviación del azufre de sulfuros (S 2 -) y azufre elemental (S 0) ácido sulfúrico (SO 4 H 2) Thiobacillus thiooxidans, Sulfolobus acidocaldarius oxidadoras de amoniaco (nitrosas) respiran NH 3 para convertirlo en NO 2 Nitrosomonas oxidadoras del nitrito (nítricas) respiran NO 2 - para convertirlo en NO 3 Nitrobacter Nitrificantes Bacterias del hidrógeno (facultativas)
FUENTE DE ENERGIA Y NUTRICIÓN ØLas Bacterias del azufre toman compuestos de este como el sulfuro de hidrógeno, azufre elemental y el tiosulfato, como fuente de energía. ØLas Bacterias del hierro son un grupo especializado de Litótrofos que son capaces de usar el hierro reducido como única fuente de energía.
CARACTERÍSTICAS ØLas bacterias oxidantes del azufre y de sulfuros suelen ser litotróficas y producen sulfato. ØCon excepción de sulfolobus los litótrofos sulfurosos restantes son: Eubacterias y Fologenéticamente pertenecen a las bacterias púrpuras.
CARACTERÍSTICAS ØPueden distinguirse dos amplias clases ecológicas : ØLas que viven en p. H neutro ØLas que viven en p. H ácido ØLas bacterias oxidantes del azufre también son capaces de catalizar la oxidación del sulfuro.
CARACTERÍSTICAS ØLa mayor parte de las bacterias oxidantes del hierro también oxidan el azufre y son acidofílicas obligadas ØLas ferruginosas transforman compuestos solubles de hierro en compuestos insolubles
PRINCIPALES GÉNEROS Del azufre: àThiobacillus àThiosphera àThiomicrospira àThermotrix àBeggiatoa àSulfolobus
PRINCIPALES GÉNEROS Del hierro: · A p. H neutro: àGallionella ferruginea àSphaeritillus natans àLeptothrix ochracea · A p. H ácido àThiobacillus ferroxidans
HABITATS DE ALGUNAS BACTERIAS El Thiobacillus feroxidans vive en un ambiente en que el ácido sulfúrico es el ácido dominante y están presentes grandes cantidades de sulfato.
HABITATS DE ALGUNAS BACTERIAS Bacterias oxidantes del azufre como las Beggiatoa se encuentran en la naturaleza en habitats ricos en H 2 S
Lixiviación de minerales ü Obtención de Zn, Co, Ni, Mo, Sb, Co, Pb etc, a partir de minerales de baja riqueza (sulfuros metálicos) para transformarlos en los SO 4= metálicos solubles en agua por acción de bacterias oxidadoras de hierro y azufre. ü A cielo abierto, el agua se filtra a través de gruesas capas de material rocoso que contiene el mineral desmenuzado. ü Se recoge la solución que contiene las sales sulfatadas y a partir de allí se obtienen los metales por procesos de concentración y precipitación. ü La disolución de los sulfuros tiene lugar por varios procesos: oxidación bacteriana de los compuestos reducidos de azufre o azufre metálico a ácido sulfúrico y del hierro ferroso a férrico, como así también por oxidación química, que requiere sulfúrico o hierro. ü Las bacterias aseguran suministros de sulfúrico y la regeneración del hierro férrico.
HABITATS DE ALGUNAS BACTERIAS Organismos termófilos extremos como el sulfolobus se desarrolla en hábitats volcánicos a temperaturas sobre 90ºC y a valores de p. H de 1 -5 a condiciones anaerobias.
Yellowstone, Sulfolobus
Mecanismo de generación de ATP en quimiolitotrofos üLos electrones extraídos del donador exógeno (inorgánico) pasan a una cadena transportadora de electrones hasta un aceptor final (que suele ser el oxígeno en los litotrofos típicos, y que es nitrito en los anammox), generando una fuerza protónmotriz que se transforma en ATP por ATP-sintasas. üA excepción del H 2, los demás donadores inorgánicos de electrones tienen un potencial de reducción E 0’ menor que el del NADH, por lo que la oxidación de estos donadores inorgánicos sólo puede generar energía, pero no poder reductor de modo directo. Para obtener poder reductor emplean transporte inverso de electrones
Flujo inverso de electrones (genera poder reductor) Flujo de electrones en la cadena de transporte de Nitrobacter. A la derecha: La fuerza protón motriz se produce cuando los electrones son transportados desde el NO 2 hasta el O 2 y se acopla con la generación de ATP. A la izquierda: parte de la fpm se utiliza para forzar electrones a fluir desde el nitrito hasta el NAD+. Se utilizan para ello el citocromo c y cuatro complejos más: 1: NADH-Ubiquinona oxidoreductasa, 2: ubiquinol-citc oxidoreductasa, 3: nitrito oxidasa y 4: citocromo aa 3 oxidasa.
oxidación anaerobia del amoniaco (ANAMOX) ü Proceso que acopla en anaerobiosis la oxidación del amoniaco con la reducción de los nitritos, produciendo nitrógeno molecular y agua (NH 4+ + NO 2 N 2 + 2 H 2 O) ü Brocadia anammoxidans, del phylum de los Planctomicetos (compartim con membrana; pared proteica). ü Autótrofas, aunque carecen de ciclo de Calvin, aún se desconoce el mecanismo de fijación del CO 2.
Generación de energía por oxidación del azufre a) Oxidación directa de sulfito CTE y fosforilación oxidativa b) Formación de adenosina 5 -fosfosulfato (APS) Producción de ATP por fosforilación a nivel de sustrato CTE y fpm
Arqueas metanogénicas ü Capaces de obtenergía acoplando la oxidación del hidrógeno molecular con el uso de CO 2 como aceptor de electrones 4 H 2 + CO 2 CH 4 + 2 H 2 O ü Fijan autotróficamente el carbónico, aunque por rutas especiales diferentes al ciclo de Calvin.
a: Sulfolobus y bacterias verdes del azufre PEP Gucosa-P
Bacterias anaeróbicas quimiolitotróficas Dador inorg. de e Grupo Especies H 2 + CO 2 CH 4 Resp. de carbonatos, metanogénicas Methanobacterium thermoautotrophicum H 2 + CO 2 CH 3 -COOH Resp. de carbonatos, acetogénicas Acetobacterium woodii H 2 + SO 4= SH 2 Resp. de sulfatos, sulfurogénicas Desulfovibrio desulfuricans, Desulfobacterium autotrophicum H 2 + S 0 SH 2 Resp del azufre, sulfurogénicas Desulfuromonas acetoxidans H 2 + NO 3 - N 2 Resp de nitratos, desnitrificación Paracoccus denitrificans
FOTOFOSFORILACIÓN • Produce también un gradiente electroquímico de protones a ambos lado de una membrana, el cual a su vez alimenta ATP-sintasas. Estrictamente hablando, la fotosíntesis alude a la fotoautotrofía, es decir, la combinación de fototrofía o captación de esa energía lumínica (obtenida en la “fase luminosa”) con su empleo para fijar el CO 2 (autotrofía) hasta material celular (“fase oscura”). • Existen procariotas fotótrofos que captan la energía de la luz, pero emplean materia orgánica como fuente de carbono, por lo que se denominan fotoheterotrofos.
COMPONENTES DEL APARATO FOTOSINTÉTICO ü Fotosistemas: catalizan la conversión de la energía de la luz, capturada en moléculas excitadas de clorofila o bacterioclorofila en una forma útil de energía. Están constituidos por complejo antena (con pigmentos captadores de luz) y centro de reacción (con las clorofilas o bacterioclorofilas fotoactivas). Los centros de reacción suelen estar situados dentro de estructuras membranosas (tilacoides en cianobacterias, cromatóforos o invaginaciones de MC en bacterias púrpuras o la propia membrana citoplásmica en bacterias anoxigénicas verdes y heliobacterias). ü Cadenas transportadoras de electrones: situadas en membranas están ligadas de forma estrecha al centro de reacción, crean una fuerza protón-motriz.
Principales moléculas implicadas ü Clorofilas y bacterioclorofilas (pueden formar parte tanto de los pigmentos antena como de los centros de reacción) ü Carotenoides. Forman parte del complejo antena, función principal de protección. ü Ficobiliproteínas (complejo antena en Cianobacterias) ü Feofitinas y bacteriofeofitinas. Son similares a las respectivas (bacterio)clorofilas, excepto que no están queladas con Mg++. Actúan como aceptores inmediatos del electrón que pierde cada (bacterio)clorofila del centro de reacción.
Estructura de la clorofila
Pigmentos accesorios
FOTOFOSFORILACIÓN ACÍCLICA ü El flujo de electrones sirve para generar f. p. m. y por lo tanto ATP, y equivalentes de reducción [NAD(P)H+H+] que hacen falta para la fijación del CO 2. Esos electrones deben de proceder de una fuente exógena para poder regenerar la forma basal del pigmento fotoactivo. ü bacterias purpúreas (o rojas) -transporte inverso de electrones ü bacterias verdes del azufre ü heliobacterias
Fotofosforilación en Cianobacterias
FOTOFOSFORILACIÓN CÍCLICA Esquema del funcionamiento del fotosistema de la bacteria purpúrea Rhodopseudomonas viridis Los dadores externos No regeneran la bacterioclorofila, la producción de equiv de reducción no va ligada a fase luminosa Fijan CO 2 por Ciclo de Calvin
FOTOFOSFORILACIÓN ACÍCLICA Chlorobium limicola, bacteria verde del azufre Tanto la producción de equivalentes de reducción como la fotofosforilación son resultado de la fase luminosa (el aceptor estable de e, Fe. S, tiene potencial suficientemetne electronegativo para refucir NAD+). MK: menaquinona Fd: ferredoxina Fijación de CO 2 por ciclo reductivo de ácidos tricarboxílicos
FOTOFOSFORILACIÓN CÍCLICA
Heliobacterias • Las heliobacterias (bacterias esporulantes fototrofas) al igual que las bacterias verdes, tienen como primer aceptor estable de electrones una Fe/S proteína con potencial redox suficientemente bajo (DE 0' = -0. 5 V) como para reducir NAD+. Por lo tanto, su poder reductor deriva igualmente de la reacción luminosa. La regeneración de la bacterioclorofila oxidada es mediante un aceptor exógeno orgánico (son fotoheterotrofos, y parece que no son capaces de fijar CO 2).
Carácterísticas de los sistemas fotosintéticos microbianos
Halobacterium salinarium Capacidad de síntesis de ATP mediada por la luz, pero sin implicación de clorofilas ni fijación de CO 2. Cuando estas bacterias se encuentran en condiciones de baja aireación (bajas tensiones de O 2), sintetizan una cromoproteína especial llamada bacteriorrodopsina, que forma “parches” de color púrpura en sus membranas citoplásmicas. Retinal (el mismo de la rodopsina retiniana de los vertebrados), es un carotenoide C 20 que puede absorber la luz y catalizar la transferencia de protones a través de la Bacteriorrodopsina, incluye la membrana. Se encuentra unido como una molécula retinal fotosensitiva (en base de Schiff a una lisina de la bacteriopsina púrpura) y los aa involucrados en el transporte iónico, bombeo de H+ (porción proteica) (flechas: igual dirección, números: igual secuencia)
Heterotrofía
Estadíos del catabolismo
Componentes de las cadenas de transporte respiratorio NADH deshidrogenasas cara interna de MC. Aceptan átomos de H a partir del NADH, y se los ceden a las flavoproteínas Flavoproteínas (Fp, un tipo de riboflainas), dotadas de grupos FAD o FMN. Pueden acepar átomos de H, pero a su vez ceden electrones. Proteínas no hémicas de Fe-S (Fe/S proteínas). Algunas poseen agrupamientos de Fe 2 S 2 (como la ferredoxina) y otras Fe 4 S 4. Transportan solamente electrones. Quinonas, muy hidrofóbicas, inmersas en la membrana, capaces de moverse dentro de ella. Sirven como aceptores de átomos de H, pero sólo ceden electrones. En bacterias podemos encontrar dos principales tipos de quinonas: ubiquinona (UQ)menaquinona (MQ), más frecuente en bacterias Gram-positivas. Citocromos (proteínas hémicas con Fe quelado). Sufren oxidación y reducción por pérdida y ganancia de un electrón cada vez, a través del Fe del centro de la molécula. Los citocromos son de varias clases, según el tipo de grupo hemo
Cadenas respiratorias Ramificaciones (a nivel de citocromos terminales) Flexibilidad en la transferencia de electrones Ej: • Cuando Azotobacter (fijador aerobio de N 2) crece fijando nitrógeno molecular, usa una ramificación que gasta muchísimo oxígeno como aceptor final (aunque el rendimiento en ATP es menor); con ello logra evitar que el oxígeno pase al citoplasma, con lo que protege a la nitrogenasa de la inactivación por oxígeno.
Cadenas respiratorias P. ej. , si E. coli dispone de oxígeno lo usará como aceptor final de electrones, pero dependiendo de su concentración recurrirá a una u otra rama. (A su vez, esto puede estar relacionado con la fase de crecimiento: en la fase exponencial, cuando hay todavía suficiente nivel de O 2, se usa una rama, mientras que en fase estacionaria, cuando el nivel de O 2 ha bajado, se usa la otra). El mismo E. coli y otras bacterias anaerobias facultativas, en un ambiente sin oxígeno pero con presencia de nitratos puede usar estos aceptores alternativos con las correspondientes variantes en los citocromos terminales.
RESPIRACIONES ANAEROBIAS Aceptor reducido prod. Procariotas (Ejemplos) NO 3 - NO 2 - N 2 Pseudomonas, Bacillus (desnitrificación) NO 3 - NO 2 - Enterobacterias SO 42 - S 0 SH 2 Sulfatorreductoras (Desulfovibrio, Desulfotomaculum) Anaeróbicos estrictos fumarato succinato Enterobacterias CO 2 CH 4 Arqueas metanogénicas Fe 3+ Fe 2+ Alteromonas, Shewanella, Geobacter
ü El uso de nitratos, sulfatos y CO 2 como aceptores finales de electrones se denomina metabolismo disimilativo (o desasimilativo) para distinguirlo del asimilativo (nutricional). El producto reducido se excreta al ambiente de la bacteria. ü El uso disimilativo de nitrato se llama desnitrificación NO 3 - NO 2 - (nitrito) NO (óxido nítrico) N 2 O (óx. nitroso) N 2 ü Las enzimas que catalizan esta ruta son reprimidas por el oxígeno molecular y se inducen (en ausencia de oxígeno) por el nitrato ü Los productos intermediarios se acumulan cuando el NO 3 - está en exceso y la concentración de dadores de H limita la transformación. Nitrato hasta nitrito: se lleva a cabo por la nitrato-reductasa disimilatoria (semejante al citocromo terminal, citocromo-oxidasa) de cadenas que usan oxígeno molecular como aceptor. Es de localización intramembranosa. En las bacterias Gram-negativas la nitrito-reductasa es de localización periplásmica. Las nitrito-reductasas de Pseudomonas constan de citocromos c+d 1. La óxido nítrico-reductasa es un complejo de citocromo b+c integral de membrana. La óxido nitroso-reductasa es una enzima de localización periplásmica.
Cadena de transporte de electrones de Paracoccus denitrificans El nitrato es reducido a N 2 por la acción colectiva de 4 reductasa que reciben electrones de la Co. Q y elcitocromo c. FP: flavoproteínas; MD: metanol deshidrogenasa; Nar: nitrato reductasa; Nir: nitrito reductasa; Nor: oxido nítrico reductasa; Nos: oxido nitroso reductasa La cadena de transporte de electrones aeróbica es similar a la de mitocondrias.
El uso disimilatorio del sulfato: sulfatorredutoras (Desulfovibrio, Desulfotomaculum). Para que el sulfato (SO 42 -) pueda recibir los electrones, primero se tiene que “activar” con ATP (mediante la ATPsulfurilasa), formándose la adenosina-fosfo-sulfato (APS). La parte sulfato de la APS recibe dos primeros electrones y se reduce (por la APS-reductasa) hasta sulfito (SO 32 -), con liberación de AMP. Luego el sulfito es reducido (aceptando otros seis electrones) hasta sulfuro (S 2 -) mediante la sulfito-reductasa. La mayoría de sulfatorreductoras son quimiorganotrofos, pero algunos pueden usar también H 2 como donador de electrones (quimiolitotrofos).
Otros aceptores inorgánicos de e • El manganeso mangánico (Mn 4+) puede ser reducido por algunas bacterias, como la ya citada Shewanella putrefaciens cuando crecen respirando acetato y otros sustratos orgánicos. • El clorato (Cl. O 3 -) • El selenato (Se. O 42 -) se puede reducir a selenito (Se. O 32 -) y posteriormente a selenio metálico (Se 0). Se ha aprovechado esta reacción para descontaminar aguas que llevaban estos compuestos tóxicos (biorremedio). • El arseniato (As. O 42 -) es un compuesto muy tóxico, y puede ser reducido junto con el sulfato por la bacteria sulfatorreductora Desulfotomaculum, formándose un complejo mineral de arsénico y sulfuro (trisulfuro de arsenio, As 2 S 3), que precipita. Este ejemplo de biomineralización se está intentando aprovechar para detoxificar suelos y aguas contaminados.
Respiración aeróbica Cadena de transporte de electrones aeróbica de Paracoccus denitrificans
Glucólisis
Vía de las pentosas Funciones catabólicas y anabólicas: üNADPH como dador de e en biosíntesis üEritrosa 4 P para síntesis de aa aromátic vit B 6 üRibosa 5 P componente de ácidos nucle üProducción de ATP Transcetolasa Transaldolasa
Vía de Entner-Doudoroff Pseudomonas, Rhizobium, Azotobacter, Agrobacterium, E La mayoría de las bacterias presentan vía glucolítica y vía de las pentosas. En algunas la vía glucolítica puede ser sustituida por la vía de ED (por ausencia de fosfofructokinasa).
Ciclo de Krebs o TCA Complejo piruvato deshidrogenasa
• • Fermentación Uso de piruvato o derivados como aceptores internos de e para reoxidar NADH. Proceso anaeróbico en el que el sustrato se oxida sólo parcialmente y se produce fosforilación a nivel de sustrato. 1 -Lactobacillus, Streptoccocus, Bacillus 2 - Levaduras, Zymomonas 3 - Propionibacterium 4 -Enterobacter, Serratia, Bacillus 5 - Bacterias entéricas: E. coli, Proteus, Salmonella 6 - Clostridium
Fermentación heteroláctica Fosfocetolasa
Tipo de fermentación Producto(s) Fermentación láctica Lactato Fermentación alcohólica etanol, CO 2 Fermentación ácidamixta etanol, succinato, acetato, formiato, lactato, CO 2, H 2 Fermentación butilénglicólica butilénglicol, CO 2 Fermentación acetobutírica acetato, acetona, butirato, butanol, etanol, CO 2, H 2
Utilización del citrato por O. oeni
Rendimiento de ATP por oxidación aeróbica de la glucosa en eucariotas
Ciclo del Azufre
Ciclo del Nitrógeno
Ciclo del Carbono
- Slides: 72