Microbiología I - Metabolismo y Fisiología de Microorganismos

Facultad de Ciencias Farmacéuticas, Bioquímicas y Biotecnológicas Escuela Profesional de Ingeniería Biotecnológica MICROBIOLOGIA I Metabolismo y Fisiología de microorganismos Ing. Móni...

Facultad de Ciencias Farmacéuticas, Bioquímicas y Biotecnológicas Escuela Profesional de Ingeniería Biotecnológica MICROBIOLOGIA I Metabolismo y Fisiología de microorganismos Ing. Mónica Yugra Condori [email protected] Función del metabolismo en la biosíntesis y el crecimiento El crecimiento microbiano requiere de la polimerización de elementos bioquímicos constitutivos en proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y lípidos. Los elementos constitutivos se encuentran preformados en el medio o se sintetizan por las células en crecimiento. Las reacciones biosintéticas de polimerización exigen la transferencia de enlaces anhidro a partir del ATP Los orígenes biosintéticos de los elementos constitutivos y de las coenzimas se pueden seguir hasta relativamente pocos precursores llamados metabolitos focales. El metabolismo microbiano se puede dividir en: Vías para la interconversión de metabolitos focales Vías de asimilación para la formación de metabolitos focales Secuencias biosintéticas para la conversión de metabolitos focales a productos terminales Vías que producen energía metabólica para el crecimiento y conservación METABOLITOS FOCALES Y SU INTERCONVERSIÓN Interconversiones de glucosa 6-fosfato y carbohidratos Metabolito clave Intermediarios Productos terminales Hexosa fosfatos Polisacáridos Polisacáridos Ácidos nucleicos Pentosa fosfatos Histidina Triptófano Triptófano Glucosa 6-fosfato Triosa fosfato Corismato Fenilalanina Tirosina Triosa fosfato Lípidos Glicina 3-fosfoglicerato Serina Cisteína Triptófano Formación y utilización del fosfoenolpiruvato Metabolito clave Intermediarios Productos terminales Triosa fosfato Glicina Serina Cisteína 3-fosfoglicerato Triptófano Triptófano Corismato Fenilalanina Fosfoenolpiruvato Tirosina Polisacáridos Alanina Piruvato Valina Isoleucina Acetil-CoA Lípidos Formación y utilización del oxaloacetato Metabolito Compuestos Productos terminales clave adicionales Asparagina - Treonina Isoleucina Metionina - Oxaloacetato Aspartato Coenzima Pirimidinas Ácidos nucleicos Formación del α-cetoglutarato a partir de piruvato Productos terminales Metabolito Clave Intermediarios -> Lisina -> Glutamato Glutamina α-cetoglutarato Semialdehído -> Arginina glutámico -> Prolina VÍAS DE ASIMILACIÓN Crecimiento con acetato El acetato se metaboliza por la vía del acetil-CoA. Acetil-CoA se utiliza en la biosíntesis del α- cetoglutarato y en la mayor parte de los microorganismos respiratorios, el fragmento acetilo en la acetil-CoA se oxida completamente a dióxido de carbono por la vía del ácido tricarboxílico y el acoplamiento de isocitratoliasa y malatosintetasa, que permiten la conversión oxidativa neta de 2 mitades de Acetil-CoA a una molécula de succinato. Crecimiento con dióxido de carbono: Ciclo de Calvin Ruta primaria de asimilación del carbono es la del ciclo de Calvin: Reacciones de redistribución de CO2 y ribulosa 3-fosfoglicerato se Se reduce hasta el carbohidratos Esta se fosforilasa difosfato se fosforila a 1,3- derivado de triosa permiten la genera la molécula combinan para difosfoglicerato y gliceraldehído 3- conversión de triosa receptora, ribulosa formar 2 moléculas este compuesto fosfato fosfato al derivado 1,5-difosfato de 3-fosfoglicerato pentosa, ribulosa 5- fosfato Despolimerasas Sustratos potenciales para el crecimiento se encuentran como elementos constitutivos dentro de la estructura de los polímeros biológicos. Estas moléculas grandes no son transportadas con facilidad a través de la membrana y con frecuencia están fijas a estructuras de incluso mayor tamaño que ellas. Despolimerasas hidrolizan a las proteínas, a los ácidos nucleicos, a los polisacáridos y a los lípidos (identificación). Oxigenasas Para compuestos en el ambiente que son relativamente resistentes a la modificación enzimática y su utilización como sustratos de crecimiento. Enzimas que emplean de manera directa al oxígeno molecular como sustrato en las reacciones que convierten a un compuesto que no es fácil de manipular, a una forma en la cual puede ser asimilado mediante reacciones favorecidas termodinámicamente. Vías reductivas Algunos microorganismos viven en ambientes extremadamente reductores, los cuales favorecen a las reacciones químicas que no ocurrirán en microorganismos que utilizan el oxígeno como aceptor de electrones. En estos microorganismos pueden usarse potentes agentes reductores para impulsar las reacciones que permitan la asimilación de compuestos relativamente poco manejables. Asimilación de nitrógeno Proceso de asimilación reductiva del nitrógeno molecular también conocida como fijación de nitrógeno. La realizan diversas bacterias y cianobacterias mediante un complejo de enzimas nitrogenasa multicomponente. Dinitrogenasa Dinitrogenasa reductasa (contiene (contiene hierro y hierro) molibdeno) Al actuar juntas catalizan la siguiente reacción: N2 + 6H+ + 6e- + 12ATP -> 2NH3 + 12ADP + 12Pi Asimilación de nitrógeno Debido a la gran energía de activación para romper triples enlaces que unen a los átomos de nitrógeno, requiere elevadas cantidades de energía metabólica. La nitrogenasa se inactiva fácilmente por el oxígeno. Microorganismos aeróbicos que emplean nitrogenasa han desarrollado mecanismos elaborados para proteger a esta enzima de la inactivación: algunos forman células especializadas y otros tienen cadenas de transporte de electrones. Asimilación de nitrógeno La puerta de entrada del nitrógeno en el metabolismo del carbono es el glutamato, formado por la aminación reductiva del α-cetoglutarato. Reducción de una sola etapa Proceso en 2 pasos Catalizada por la Glutamina es un intermediario glutamatodeshidrogenasa Empleado en ambientes en los que el Efectiva en ambientes con provisión amoniaco es escaso amplia de amoniaco Asimilación de nitrógeno La mayor parte del nitrógeno orgánico en las células se obtiene del grupo α-amino del glutamato. Transaminación, mecanismo principal por el cual el nitrógeno se transfiere al aceptor común ácido α-ceto que se transforma el correspondiente ácido α-amino. Transaminación Alanina aminotransferasa (ALT) o Transaminasa Glutámico Pirúvica (TGP) TGP PLP α-Cetoglutarato Alanina Glutamato Piruvato Cetoácido Aminoácido Aminoácido Cetoácido Transaminación Aspartato aminotransferasa (AST) o Transaminasa Glutámico Oxalacética (TGO) TGO PLP α-Cetoglutarato Aspartato Glutamato Oxalacetato Cetoácido Aminoácido Aminoácido Cetoácido Vías biosintéticas Glutamina Deriva del glutamato Esqueleto en estructuras de arginina y prolina Aspartato Obtenido del oxaloacetato Estructuras de asparagina, treonina, metionina y pirimidinas  Síntesis de peptidoglucano Síntesis progresiva del citoplasma del ácido pentapéptido del UDN- acetilmurámico. El ácido Se agregan pentapéptido secuencialment UDP-N- El Se convierte al e los acetilmurámico entrecruzamien ácido UDP-N- aminoácidos se adhiere al to final se da acetilmurámico La pentaglicina del bactoprenol por reacción de Se adhiere la N- por se forma por pentapéptido (lípidos de transpeptidació acetilglucosami condensación reacciones de (catalizada por membrana n por enzimas na al UDP del glicina tRNA una enzima celular) y recibe llamadas fosfoenolpiruva como donador diferente, con una molécula proteína to y su desdoblamient de N- fijadora de reducción o de ATP a acetilglucosami penicilina ADP+Pi na a partir del UDP Síntesis de lipopolisacárido en la cubierta celular En células G- se observa biosíntesis del grupo terminal repetido, que da a la cubierta celular su especificidad antigénica. Ensambla serie de subunidades en un portador lipídico de la membrana y luego se transfieren hacia los extremos cubiertos de la estructura polimérica en crecimiento. Síntesis de los polímeros capsulares extracelulares Se sintetizan enzimáticamente a partir de subunidades activadas, no se involucra en ningún portador lipídico enlazado a la membrana. La presencia de una cápsula depende a menudo del ambiente: dextranos y levanos (disacárido sacarosa - subunidad apropiada). Síntesis de gránulos alimentarios de reserva Cuando los nutrientes están presentes en mayor cantidad de las requeridas para el crecimiento de las bacterias, convierten a algunos de ellos en gránulos alimentarios intracelulares de reserva. Los principales son de almidón, glucógeno, PBHB y volutina (polifosfato inorgánico). El tipo de granulo formado es específico de la especie. Los gránulos se degradan cuando se agotan los nutrientes exógenos. Patrones de metabolismo microbiano productor de energía La fosforilación del sustrato y la fosforilación de ADP mediante fosfato inorgánico (fuerza motriz de los protones). VÍAS DE FERMENTACIÓN Estrategias para la fosforilación del sustrato En ausencia de respiración o de fotosíntesis las células dependen en su totalidad de la fosforilación del sustrato para la generación de ATP y debe acoplarse a su reordenamiento químico de los componentes orgánicos. Etapas generales: Conversión del compuesto fermentable en donador de fosfato para la fosforilación del sustrato (NAD+ a NADH) Fosforilación del ADP por el donador de fosfato abundante en energía Etapas metabólicas que ponen a productos de la fermentación en equilibrio químico con materiales iniciadores. Fermentación de la glucosa Diversidad de vías fermentativas para la fosforilación del sustrato a expensas de la glucosa. La fosforilación de ADP a ATP se puede acoplar a cualquiera de las siguientes formaciones: Glucosa -> 2 Ác. Láctico/ Glucosa -> 2 etanol + 2CO2 La fermentación de la glucosa se inicia por su fosforilación a glucosa 6- fosfato: La glucosa llega a La glucosa extracelular se interior de la célula, fosforila al atravesar la MC + Metabolismo vectorial fosforilada por ATP = sistema enzimático + glucosa 6-fosfato y ADP fosfoenolpiruvato= glucosa 6- fosfato y piruvato Vía de Embden - Meyerhof Mecanismo común para la fermentación de la glucosa y utiliza cinasa y una aldolsa, para transformar a la hexosa (C6) en 2 moléculas de triosa fosfato(C3), luego se da la fosforilación hasta obtener piruvato y con su reducción el lactato. Fermentación de Entner – Doudoroff y de heterolactato Se diferencia de otras vías del metabolismo de los carbohidratos por una deshidratación del 6- fosfogluconato, seguida por una reacción de la aldolasa que produce piruvato y triosa fosfato. La fermentación heteroláctica y algunas otras vías fermentadoras dependen de una reacción de fosfocetolasa que rompe por fosforilación a una cetosafosfato para producir acetil fosfato y triosa fosfato. Variaciones adicionales en la fermentación de carbohidratos Las vías para la fermentación de los carbohidratos pueden acomodar a gran número de sustratos y los productos finales pueden ser muy diversos. Muchos mecanismos para la oxidación del NADH a expensas del piruvato. Bacterias significativas forman piruvato a partir de la glucosa por la vía de Embden- Meyerhof y se diferencian sobre la base de los productos de reducción formados a partir de piruvato, lo que refleja la constitución enzimática. Fermentación de otros sustratos Los carbohidratos no son los únicos sustratos fermentables. El metabolismo de aminoácidos, purinas y pirimidinas puede permitir que ocurra la fosforilación del sustrato. Patrones de respiración La respiración requiere de una membrana cerrada: membrana celular. Electrones pasan de un reductor químico (NADH) a un oxidante químico (O2) a través de un grupo específico de portadores de electrones dentro de la membrana, y como resultado se establece la fuerza motriz de los protones el regreso de los protones a través de la membrana se acopla a la síntesis de ATP. Patrones de respiración Quimiolitótrofas, utilizan reductores inorgánicos durante la respiración: hidrógeno, Fe+2, variantes reducidas de S y N. MO anaeróbicos en lugar de O2, utilizan: nitrato, sulfato y CO2 como oxidantes terminales. Fotosíntesis bacteriana Utilizan la energía lumínica para separar la carga electrónica con objeto de crecer reductores y oxidantes asociados de la membrana como resultado de un evento fotoquímico. La transferencia de electrones desde reductor hasta el oxidante crea una fuente motriz de los protones. La luz se utiliza como una fuente de energía metabólica y el carbono para el crecimiento se obtiene de compuestos orgánicos o de una combinación de un reductor inorgánico y el CO2. Fotosistema que genera energía para para síntesis de ATP y generación de gradientes iónicos transmembranales. Regulación de las vías metabólicas No se producen intermediarios en exceso. Cada reacción metabólica está regulada no sólo respecto de las otras células, sino también de [nutrientes] -> Enzima (cantidad y actividad). La regulación de la actividad y de la síntesis enzimática: Control fino Control burdo Inhibición de la Inhibición de la actividad de la síntesis enzima por enzimática por producto final producto final  Regulación de la actividad enzimática Enzimas como Inhibición por Activación Cooperativism Modificación Inactivación de proteínas retroalimentac alostérica o covalente de enzimas alostéricas ión Productos Unión del enzimas Hidrólisis Cada enzima Producto final intermediarios o sustrato con un Adhesión Modificación posee no sólo inhibe terminales que sitio catalítico covalente del covalente de la un sitio alostéricamente activen enzimas incrementan la ADP a una enzima blanco catalítico que la la actividad de la afinidad de los cadena lateral une con el primera enzima otros sitios por específica de sustrato, sino de la vía moléculas tirosilo dentro también uno o adicionales del de cada más sitios que sustrato subunidad de la enlazan enzima pequeñas Otras por moléculas fosforilación reguladoras o efectores (conformación) Cuestionario ¿Cuáles son las categorías generales del metabolismo microbiano? Indique 3 productos terminales de cada metabolito focal revisado ¿Cómo se utiliza el Acetil-CoA y cómo se oxida? ¿Cuáles son las estapas del Ciclo de Calvin? ¿Cuál es la función de las despolimerasas? ¿Por qué son útiles las oxigenasas? ¿Qué vía emplean los microorganismos que no utilizan el oxígeno como aceptor de electrones? ¿Cómo está formado el complejo de enzima nitrogenasa? ¿Qué es la transaminación y cuál es su aceptor común? ¿Cuáles son las etapas de formación del peptidoglucanos de la pared celular? ¿Cómo se sintetiza el lipopolisacárido en la cubierta celular? Cuestionario ¿De qué depende la presencia de una cápsula? ¿Cuáles son las etapas generales de la fosforilación del sustrato? ¿Cuáles son los mecanismos por los que se logra la fosforilación a glucosa 6-fosfato? ¿Cuál es el producto final de la vía Embden-Meyerhof? ¿Cuál es el producto final de la fermentación de Entner-Doudoroff? ¿Qué reflejan las variaciones adicionales en la fermentación de carbohidratos? ¿Cuáles son las otras opciones de fermentación, aparte de la de carbohidratos? ¿Dónde y cómo ocurre la respiración bacteriana? ¿Cuáles son las particularidades de la fotosíntesis bacteriana? ¿Cómo se regulan las vías metabólica y qué tipos de controles emplea? ¿Cuáles son las opciones de regulación enzimática y explique 3 de ellas?  REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Jawetz, E. (2002). Microbiología médica de Jawetz, Melnick y Adelberg. El Manual Moderno. Anoop Singh, Shaili Srivastava, Dheeraj Rathore, Deepak Pant. (2020) Environmental Microbiology and Biotechnology Springer Singapore >978-981-15-6021-7  REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Base de datos: Science Direct, Web of Sciences y EBSCOhost.