Metabolismo Microbiano - Capítulo 6 - Universidad Pontificia Bolivariana

Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: Jawetz, Melnick & Adelberg Microbiología Médica, 28e CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano PAPEL DEL METABOLISMO EN LA BIOSÍNTESIS Y EL CRECIMIENTO El crecimiento microbiano requiere de la polimerización de estructuras bioquímicas en proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y lípidos. Las estructuras deben estar presentes en el medio de cultivo o sintetizadas por las células en crecimiento. Las demandas biosintéticas adicionales dependen de las necesidades de coenzimas que participarán en la catálisis enzimática. Las reacciones de polimerización biosintética demandan la transferencia de los enlaces anhídrido del trifosfato de adenosina (ATP, adenosine triphosphate). Para el crecimiento es necesaria una fuente de energía metabólica que permita la síntesis de enlaces anhídrido y la conservación de los gradientes transmembrana de iones y metabolitos. El metabolismo se compone de dos procesos: catabolismo y anabolismo (fig. 6–1). El catabolismo abarca procesos que recolectan la energía liberada a partir de la descomposición de los compuestos (p. ej., la glucosa) y la utilización de esa energía para sintetizar A T P. En cambio, el anabolismo, o biosíntesis, incluye a los procesos que utilizan la energía almacenada en ATP para sintetizar y ensamblar las subunidades, o estructuras, de las macromoléculas que forman la célula. La secuencia de estructuras dentro de una macromolécula está determinada por una de dos maneras. En ácidos nucleicos y proteínas, está dirigida por una plantilla: el ADN actúa como plantilla para su propia síntesis y para la síntesis de los diversos tipos de ARN; el ARN mensajero actúa como plantilla para la síntesis de proteínas. En segunda manera para los carbohidratos y lípidos, la disposición de las estructuras depende en su totalidad de enzimas específicas. Una vez que se han sintetizado las macromoléculas, se autoensamblan para formar las estructuras supramoleculares de la célula, por ejemplo, ribosomas, membranas, pared celular, flagelos y pili. FIGURA 6–1 La relación entre catabolismo y anabolismo. El catabolismo abarca procesos que recolectan la energía liberada durante el desensamblaje de los compuestos y la utilizan para sintetizar trifosfato de adenosina (ATP); también proporciona metabolitos precursores utilizados en la biosíntesis. El anabolismo, o biosíntesis, incluye procesos que utilizan ATP y metabolitos precursores para sintetizar y ensamblar subunidades de macromoléculas que forman la célula. (Reproducido con autorización de Nester EW, Anderson DG, Roberts CE, et al.: Microbiology: A Human Perspective. 6th ed. McGrawHill; 2009, p. 127. © McGrawHill Education.) Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 1 / 31 compuestos y la utilizan para sintetizar trifosfato de adenosina (ATP); también proporciona metabolitos precursores utilizados en la biosíntesis. El Universidad Pontificia Bolivariana anabolismo, o biosíntesis, incluye procesos que utilizan ATP y metabolitos precursores para sintetizar y ensamblar subunidades de macromoléculas Access Provided by: que forman la célula. (Reproducido con autorización de Nester EW, Anderson DG, Roberts CE, et al.: Microbiology: A Human Perspective. 6th ed. McGrawHill; 2009, p. 127. © McGrawHill Education.) La velocidad de síntesis macromolecular y la actividad de las vías metabólicas deben regularse de modo que la biosíntesis permanezca en equilibrio. Todos los componentes requeridos para la síntesis de macromoléculas deben estar presentes a fin de garantizar un crecimiento ordenado. Además, debe ejercerse control de manera que los recursos no se desperdicien en productos que no contribuyan al crecimiento o la supervivencia de la célula. Este capítulo contiene una revisión del metabolismo microbiano y su regulación. Los microorganismos representan extremos de divergencia evolutiva, y una gran variedad de vías metabólicas se encuentra dentro del grupo. Por ejemplo, cualquiera de las diferentes vías metabólicas, que son más de media docena, puede utilizarse para la asimilación de un compuesto relativamente simple, el benzoato, y una vía simple para la asimilación de benzoato puede ser regulada por más de media docena de mecanismos de control. Nuestro objetivo es ilustrar los principios subyacentes a las vías metabólicas y su regulación. El principio esencial que determina las vías metabólicas es que estas se logran mediante la organización de relativamente pocas reacciones de tipo bioquímico en un orden específico. Se pueden deducir muchos factores biosintéticos al examinar las estructuras químicas del material inicial, el producto final y quizás uno o dos intermediarios metabólicos. El principio más importante que subyace a la regulación metabólica es que las enzimas tienden a ser activadas sólo cuando se requiere de su actividad catalítica. La actividad de una enzima puede ser cambiada al variar la cantidad de enzimas o de sustratos. En algunos casos, la actividad de las enzimas puede verse alterada por la unión de efectores específicos, metabolitos que modulan la actividad de la enzima. METABOLITOS FOCALES Y SU INTERCONVERSIÓN Interconversiones de glucosa 6fosfato y carbohidratos Los orígenes biosintéticos de las estructuras y las coenzimas pueden rastrearse a relativamente pocos precursores, llamados metabolitos focales. De las figuras 6–2, 6–3, 6–4, 6–5 se muestra cómo los respectivos metabolitos focales, entre los que se encuentran glucosa 6fosfato (G6PD, glucose 6 phosphate), fosfoenolpiruvato, oxaloacetato y cetoglutarato α, dan lugar a la mayoría de los productos finales biosintéticos. Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 FIGURA 6–2 Page 2 / 31 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Productos finales biosintéticos formados a partir de glucosa 6fosfato. Los ésteres de fosfato de carbohidrato de longitud de cadena variable sirven como intermediarios en las vías biosintéticas. Interconversiones de glucosa 6fosfato y carbohidratos Universidad Pontificia Bolivariana Provided by: Los orígenes biosintéticos de las estructuras y las coenzimas pueden rastrearse a relativamente pocos precursores, Access llamados metabolitos focales. De las figuras 6–2, 6–3, 6–4, 6–5 se muestra cómo los respectivos metabolitos focales, entre los que se encuentran glucosa 6fosfato (G6PD, glucose 6 phosphate), fosfoenolpiruvato, oxaloacetato y cetoglutarato α, dan lugar a la mayoría de los productos finales biosintéticos. FIGURA 6–2 Productos finales biosintéticos formados a partir de glucosa 6fosfato. Los ésteres de fosfato de carbohidrato de longitud de cadena variable sirven como intermediarios en las vías biosintéticas. FIGURA 6–3 Productos terminales biosintéticos formados a partir de fosfoenolpiruvato. FIGURA 6–4 Productos terminales biosintéticos formados a partir de oxaloacetato. Los productos terminales aspartato, treonina y pirimidinas sirven como intermediarios en la síntesis de compuestos adicionales. Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, FIGURA ©20246–5 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Productos terminales biosintéticos formados a partir de cetoglutarato α. Page 3 / 31 FIGURA 6–4 Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: Productos terminales biosintéticos formados a partir de oxaloacetato. Los productos terminales aspartato, treonina y pirimidinas sirven como intermediarios en la síntesis de compuestos adicionales. FIGURA 6–5 Productos terminales biosintéticos formados a partir de cetoglutarato α. La figura 6–2 ilustra cómo G6PD se convierte en una gama de productos finales biosintéticos a través de ésteres de fosfato de carbohidratos con diferentes longitudes de cadena. Los carbohidratos poseen la fórmula empírica (CH2O)n, y el objetivo principal del metabolismo de los carbohidratos es cambiar n, es decir, la longitud de la cadena de carbono. Los mecanismos por los cuales las longitudes de cadena de los fosfatos de carbohidratos se interconvierten aparecen resumidos en la figura 6–6. En un caso, las reacciones oxidativas se utilizan para eliminar un solo carbono de G6PD lo que produce un derivado de pentosa, la ribulosa 5fosfato. Las reacciones de isomerasa y epimerasa interconvierten las formas bioquímicas más comunes de las pentosas: ribulosa 5fosfato, ribosa 5fosfato y xilulosa 5fosfato. Las transcetolasas transfieren un fragmento de dos carbonos de una molécula donadora a una aceptora. Estas reacciones permiten que se produzcan pentosas o que estas se formen a partir de carbohidratos con diferentes longitudes de cadena. Como se muestra en la figura 6–6, dos moléculas de pentosa 5fosfato (n = 5) se interconvierten con triosa 3fosfato (n = 3) y heptosa 7fosfato (n = 7); la pentosa 5fosfato (n = 5) y la tetrosa 4fosfato (n = 4) se interconvierten con triosa 3fosfato (n = 3) y hexosa 6fosfato (n = 6). FIGURA 6–6 Mecanismos bioquímicos para el cambio de longitud de las moléculas de carbohidratos. La fórmula empírica general para los ésteres fosfato de carbohidrato, (CnH2nOn)Nfosfato, se abrevia (Cn) para enfatizar en los cambios en la longitud de la cadena. Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 4 / 31 FIGURA 6–6 Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: Mecanismos bioquímicos para el cambio de longitud de las moléculas de carbohidratos. La fórmula empírica general para los ésteres fosfato de carbohidrato, (CnH2nOn)Nfosfato, se abrevia (Cn) para enfatizar en los cambios en la longitud de la cadena. La cadena hexosa (de seis carbonos) de la fructosa 6fosfato puede convertirse en dos moléculas de triosa (tres carbonos) por la acción consecutiva de las cinasas y las aldolasas que actúan sobre la fructosa 6fosfato. En otro caso, las aldolasas actúan en combinación con las fosfatasas que, en conjunto, pueden utilizarse para incrementar la longitud de las moléculas de carbohidratos: las moléculas de triosafosfato pueden dar origen a fructosa 6fosfato; una triosafosfato y una tetrosa 4fosfato pueden dar origen a una heptosa 7fosfato. La forma final de la interconversión en la longitud de la cadena del carbohidrato es la reacción de la transaldolasa, en la cual ocurre la interconversión de heptosa 7fosfato y triosa 3fosfato en tetrosa 4fosfato y hexosa 6fosfato. La coordinación de las diferentes reacciones de reorganización de carbohidratos a fin de lograr un objetivo metabólico general se ilustra mediante la derivación del monofosfato de hexosa (fig. 6–7). Este ciclo metabólico es utilizado por las cianobacterias para la reducción del dinucleótido de adenina y nicotinamida (NAD+, nicotinamide adenine dinucleotide) al dinucleótido de adenina y nicotinamida reducido (NADH, reduced nicotinamide adenine dinucleotide), la cual actúa como un reductor durante la respiración en la oscuridad. Muchos organismos utilizan la vía del monofosfato de hexosa para reducir el fosfato de dinucleótido de adenina y nicotinamida (NADP+, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) al fosfato de dinucleótido de adenina y nicotinamida reducido (NADPH, reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate), que se utiliza para las reacciones de reducción biosintética. Los primeros pasos en la vía del monofosfato de hexosa son las reacciones oxidativas que acortan seis hexosa 6fosfato (abreviado como seis C6 en la figura 6–7) a seis pentosa 5fosfato (abreviado seis C5). Las reacciones de reestructuración de carbohidratos convierten las seis moléculas de C5 en cinco moléculas de C6 para que el ciclo oxidativo pueda continuar. FIGURA 6–7 Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 Page 5 / 31 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, Vía de la hexosa monofosfatada. Las reacciones oxidativas (véase fig. 6–6) reducen NAD+ (dinucleótido de adenina y nicotinamida fosfato) y producen ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility CO2, lo que acorta seis moléculas de hexosa de fosfato (abreviadas como C6) a seis pentosas de fosfato (abreviadas como C5). El reordenamiento de carbohidratos (véase fig. 6–6) convierte la pentosa de fosfato en hexosa de fosfato para que el ciclo oxidativo pueda continuar. adenina y nicotinamida reducido (NADPH, reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate), que se utiliza para las reacciones de reducción biosintética. Los primeros pasos en la vía del monofosfato de hexosa son las reacciones oxidativas que acortan seis Universidad hexosa 6fosfato (abreviado como Pontificia Bolivariana seis C6 en la figura 6–7) a seis pentosa 5fosfato (abreviado seis C5). Las reacciones de reestructuración de carbohidratos convierten las seis moléculas Access Provided by: de C5 en cinco moléculas de C6 para que el ciclo oxidativo pueda continuar. FIGURA 6–7 Vía de la hexosa monofosfatada. Las reacciones oxidativas (véase fig. 6–6) reducen NAD+ (dinucleótido de adenina y nicotinamida fosfato) y producen CO2, lo que acorta seis moléculas de hexosa de fosfato (abreviadas como C6) a seis pentosas de fosfato (abreviadas como C5). El reordenamiento de carbohidratos (véase fig. 6–6) convierte la pentosa de fosfato en hexosa de fosfato para que el ciclo oxidativo pueda continuar. Queda claro que todas las reacciones para la interconversión de las longitudes de la cadena de carbohidratos no se llevan a cabo al mismo tiempo. La selección de grupos específicos de enzimas, que en esencia determinan la vía metabólica a seguir, depende de la fuente de carbono y de las demandas biosintéticas de las células. Por ejemplo, una célula que recibe triosa de fosfato como fuente de carbohidratos utilizará la combinación aldolasa fosfatasa para formar fructosa 6fosfato; no es de esperarse que la cinasa que actúa sobre la fructosa 6fosfato, en su conversión en triosa de fosfato, se active bajo tales circunstancias. Si la demanda de pentosa 5fosfato es alta, como en el caso de la asimilación de dióxido de carbono fotosintético, las transcetolasas pueden dar origen a pentosas 5fosfato, que son muy activas. En resumen, G6PD puede ser considerado un metabolito focal porque sirve como precursor directo de los componentes metabólicos y como fuente de carbohidratos de longitud variable utilizables con fines biosintéticos. G6PD puede generarse a partir de otros carbohidratos fosforilados, mediante la selección de vías de un conjunto de reacciones dirigidas a la interconversión de la longitud de la cadena. Las reacciones elegidas dependen del potencial genético de la célula, la fuente de carbono primaria y las demandas biosintéticas del organismo. La regulación metabólica es necesaria para garantizar que se seleccionen las reacciones que cumplan con los requisitos del organismo. Formación y utilización de fosfoenolpiruvato Las moléculas de triosafosfato, formadas por la interconversión de fosfoésteres de carbohidratos, se convierten en fosfoenolpiruvato por la serie de reacciones que se muestran en la figura 6–8. La oxidación del gliceraldehído 3fosfato por NAD+ es acompañada por la formación del enlace ácido anhídrido en el carbono de 1,3difosfoglicerato. Este anhídrido de fosfato se transfiere en una fosforilación de sustrato a difosfato de adenosina (ADP, adenosine diphosphate), lo que produce un enlace rico en energía en ATP. Otro enlace de fosfato rico en energía está formado por la deshidratación de 2fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato; a través de otra fosforilación del sustrato, el fosfoenolpiruvato puede donar enlaces ricos en energía a ADP, y producir así ATP y piruvato. Por tanto, se pueden obtener dos enlaces ricos en energía en ATP mediante la conversión metabólica de triosa de fosfato en piruvato. Este es un proceso oxidativo; en ausencia de un aceptor de electrones exógeno, el NADH generado por la oxidación del gliceraldehído 3fosfato debe ser oxidado a NAD+ por el piruvato o por los metabolitos derivados del piruvato. Los productos formados como resultado de este proceso varían y, como se describe más adelante en este capítulo, pueden utilizarse en la identificación de bacterias de importancia clínica. FIGURA 6–8 Formación de fosfoenolpiruvato y piruvato a partir de triosa de fosfato. La figura llama la atención sobre dos sitios de fosforilación del sustrato y sobre la etapa oxidativa, que da como resultado la reducción de NAD+ (dinucleótido de adenina y nicotinamida fosfato) a NADH (nicotinamida adenina dinucleótido hidruro). La repetición de esta vía de producción de energía exige un mecanismo para oxidar NADH a NAD+. Los organismos fermentadores logran este objetivo utilizando piruvato o metabolitos derivados del piruvato como oxidantes. Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 6 / 31 Formación de fosfoenolpiruvato y piruvato a partir de triosa de fosfato. La figura llama la atención sobre dos sitios de fosforilación del sustrato y Universidad Pontificia Bolivariana sobre la etapa oxidativa, que da como resultado la reducción de NAD+ (dinucleótido de adenina y nicotinamida fosfato) a NADH adenina Access Provided (nicotinamida by: dinucleótido hidruro). La repetición de esta vía de producción de energía exige un mecanismo para oxidar NADH a NAD+. Los organismos fermentadores logran este objetivo utilizando piruvato o metabolitos derivados del piruvato como oxidantes. La formación de fosfoenolpiruvato a partir de piruvato requiere de una cantidad sustancial de energía metabólica; invariablemente en el proceso se invierten dos enlaces ATP anhídrido. Algunos organismos, como Escherichia coli, fosforilan directamente el piruvato con ATP y se ven obligados a ceder monofosfato de adenosina (AMP, adenosine monophosphate) y fosfato inorgánico (Pi). Otros organismos utilizan dos pasos metabólicos: un enlace pirofosfatoATP se invierte en la carboxilación de piruvato a oxaloacetato; se utiliza un segundo enlace pirofosfato (a menudo transportado por trifosfato de guanosina [GTP, guanosine triphosphate] en lugar de ATP) para generar fosfoenolpiruvato a partir de oxaloacetato. Formación y utilización de oxaloacetato Como ya se ha descrito, muchos organismos forman oxaloacetato por la carboxilación del piruvato dependiente de ATP. Otros organismos, como E. coli, que forman fosfoenolpiruvato directamente del piruvato, sintetizan oxaloacetato por carboxilación de fosfoenolpiruvato. SuccinilCoA es un precursor biosintético necesario para la síntesis de porfirinas y otros compuestos esenciales. Algunos organismos forman succinil CoA por reducción de oxaloacetato a través de malato y fumarato. Estas reacciones representan la reversión del flujo metabólico observado en el ciclo convencional del ácido tricarboxílico (véase fig. 6–11). Formación de cetoglutarato α a partir de piruvato La conversión de piruvato a cetoglutarato α requiere de una vía metabólica que diverge y más tarde converge (fig. 6–9). En una vía, el oxaloacetato está formado por la carboxilación de piruvato o de fosfoenolpiruvato. En la otra, el piruvato se oxida a acetilCoA. Es de destacar que, independientemente del mecanismo enzimático utilizado para la formación de oxaloacetato, se requiere de acetilCoA como efector metabólico positivo para este proceso. Así, la síntesis de oxaloacetato se equilibra con la producción de acetilCoA. La condensación de oxaloacetato con acetilCoA produce citrato. La isomerización de la molécula de citrato produce isocitrato, el cual sufre descarboxilación oxidativa para dar origen a cetoglutarato α. FIGURA 6–9 Conversión de piruvato en cetoglutarato α. El piruvato se convierte en cetoglutarato α por una desviación de la vía biosintética. En sentido, el piruvato se oxida a acetilCoA; en el otro sentido, el piruvato sufre carboxilación a oxaloacetato. Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 7 / 31 FIGURA 6–9 Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: Conversión de piruvato en cetoglutarato α. El piruvato se convierte en cetoglutarato α por una desviación de la vía biosintética. En sentido, el piruvato se oxida a acetilCoA; en el otro sentido, el piruvato sufre carboxilación a oxaloacetato. VÍAS DE ASIMILACIÓN Crecimiento con acetato El acetato se metaboliza a través de acetilCoA; muchos organismos poseen la capacidad de formar acetilCoA (fig. 6–10). La acetilCoA se utiliza en la biosíntesis de cetoglutarato α; en la mayoría de los organismos respiratorios, el fragmento de acetilo en el acetilCoA se oxida completamente a dióxido de carbono a través del ciclo del ácido tricarboxílico (fig. 6–11). Sin embargo, la capacidad de usar acetato como fuente neta de carbono se limita a relativamente pocos microorganismos y plantas. La síntesis neta de precursores biosintéticos a partir de acetato se logra mediante reacciones de acoplamiento del ciclo del ácido tricarboxílico con dos reacciones adicionales catalizadas por isocitrato liasa y malato sintasa. Como se muestra en la figura 6–12, estas reacciones permiten la conversión oxidativa neta de dos residuos acetilo de acetilCoA en una molécula de succinato. El succinato se puede usar con fines biosintéticos después de su conversión a oxaloacetato, cetoglutarato α, fosfoenolpiruvato o G6PD. FIGURA 6–10 Fuentes bioquímicas de acetilCoA. AMP: monofosfato de adenosina, ATP: trifosfato de adenosina. Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 8 / 31 se puede usar con fines biosintéticos después de su conversión a oxaloacetato, cetoglutarato α, fosfoenolpiruvato o G6PD. Universidad Pontificia Bolivariana FIGURA 6–10 Access Provided by: Fuentes bioquímicas de acetilCoA. AMP: monofosfato de adenosina, ATP: trifosfato de adenosina. FIGURA 6–11 El ciclo del ácido tricarboxílico. Hay cuatro etapas oxidativas: tres dan lugar a NADH (dinucleótido de adenina y nicotinamida reducido) y una da lugar a una flavoproteína reducida, Enz(FADH2). El ciclo puede continuar sólo si los aceptores de electrones están disponibles para oxidar el NADH y reducir la flavoproteína, GDP: guanosina difosfato; GTP: trifosfato de guanosina. Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 FIGURA 6–12 Page 9 / 31 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility El ciclo del glioxilato. Téngase en cuenta que las reacciones que convierten el malato en isocitrato son compartidas con el ciclo del ácido tricarboxílico (véase fig. 6–11). La divergencia metabólica a nivel de isocitrato y la acción de dos enzimas: la isocitrato liasa y la malato sintetasa, modifican el ciclo del Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: FIGURA 6–12 El ciclo del glioxilato. Téngase en cuenta que las reacciones que convierten el malato en isocitrato son compartidas con el ciclo del ácido tricarboxílico (véase fig. 6–11). La divergencia metabólica a nivel de isocitrato y la acción de dos enzimas: la isocitrato liasa y la malato sintetasa, modifican el ciclo del ácido tricarboxílico de manera que convierte reductivamente dos moléculas de acetilCoA en succinato. Crecimiento con dióxido de carbono: ciclo de Calvin Al igual que las plantas y algas, varias especies microbianas pueden utilizar dióxido de carbono como única fuente de carbono. En casi todos estos organismos, la vía primaria de la asimilación del carbono es a través del ciclo de Calvin, en el cual el dióxido de carbono y la ribulosa difosfato se combinan para formar dos moléculas de 3fosfoglicerato (fig. 6–13A). El 3fosfoglicerato se fosforila a 1,3difosfoglicerato; este compuesto se reduce al derivado de la triosa, el gliceraldehído 3fosfato. Las reacciones de transposición de carbohidratos (véase fig. 6–6) permiten que las triosas de fosfato se conviertan a ribulosa 5fosfato, un derivado pentosa, el cual sufre fosforilación para regenerar a la molécula aceptora, la ribulosa 1,5 difosfato (fig. 6–13B). El carbono reducido adicional, formado por la asimilación reductiva del dióxido de carbono, se convierte en metabolitos focales para las vías de biosíntesis. FIGURA 6–13 El ciclo de Calvin. A. Asimilación reductiva de CO2. El trifosfato de adenosina (ATP) y el NADPH (dinucleótido de adenina y nicotinamida fosfato) convierten de forma reductiva la pentosa 5fosfato (C5) en dos moléculas de triosa de fosfato (C3). B. El ciclo de Calvin se completa con reacciones de reorganización de carbohidratos (fig. 6–6) que permiten la síntesis neta de carbohidratos y la regeneración de pentosa de fosfato para que el ciclo pueda continuar. ADP: difosfato de adenosina. Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 10 / 31 El ciclo de Calvin. A. Asimilación reductiva de CO2. El trifosfato de adenosina (ATP) y el NADPH (dinucleótido de adenina y nicotinamida fosfato) Universidad Pontificia Bolivariana convierten de forma reductiva la pentosa 5fosfato (C5) en dos moléculas de triosa de fosfato (C3). B. El ciclo de Calvin se completa con reacciones de Access Provided by: reorganización de carbohidratos (fig. 6–6) que permiten la síntesis neta de carbohidratos y la regeneración de pentosa de fosfato para que el ciclo pueda continuar. ADP: difosfato de adenosina. Las células que pueden usar dióxido de carbono como única fuente de carbono se denominan autótrofas; las demandas de este patrón de asimilación de carbono se pueden resumir brevemente de la siguiente manera: además de la reacción de asimilación primaria que origina 3 fosfoglicerato, debe existir un mecanismo para regenerar a la molécula aceptora, la ribulosa 1,5difosfato. Este proceso exige la reducción dependiente de la energía del 3fosfoglicerato al nivel de carbohidratos. Por tanto, la autotrofia requiere de dióxido de carbono, ATP, NADPH y de un conjunto específico de enzimas. Despolimerasas Muchos sustratos de crecimiento potencial se encuentran en forma de estructuras en bloque dentro de la estructura de polímeros biológicos. Estas moléculas grandes no se transportan fácilmente a través de la membrana celular y, a menudo, se fijan a estructuras celulares aún más grandes. Muchos microorganismos elaboran despolimerasas extracelulares que hidrolizan proteínas (es decir, proteasas), ácidos nucleicos (es decir, nucleasas), polisacáridos (p. ej., amilasa) y lípidos (p. ej., lipasas). El patrón de actividades de la despolimerasa puede ser útil en la identificación de microorganismos. Oxigenasas Muchos compuestos en el ambiente son relativamente resistentes a la modificación enzimática; la utilización de estos compuestos como sustratos de crecimiento exige una clase especial de enzimas: las oxigenasas. Tales enzimas utilizan directamente el oxígeno molecular, un oxidante potente, como sustrato, en reacciones que convierten un compuesto relativamente intratable en una forma en la que puede ser asimilado por reacciones favorecidas termodinámicamente. La acción de las oxigenasas se ilustra en la figura 6–14, que muestra el papel de dos oxigenasas diferentes en la utilización de benzoato. FIGURA 6–14 Downloaded Your IP is 200.3.145.12 El papel de las2024213 oxigenasas4:6 enPla utilización aeróbica del benzoato como fuente de carbono. El oxígeno molecular participa directamente en las Page 11 / 31 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, reacciones que interrumpen la aromaticidad del benzoato y del catecol. ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility sustrato, en reacciones que convierten un compuesto relativamente intratable en una forma en la que puede ser asimilado por reacciones favorecidas Universidad Pontificia Bolivariana termodinámicamente. La acción de las oxigenasas se ilustra en la figura 6–14, que muestra el papel de dos oxigenasas diferentes en la utilización de benzoato. Access Provided by: FIGURA 6–14 El papel de las oxigenasas en la utilización aeróbica del benzoato como fuente de carbono. El oxígeno molecular participa directamente en las reacciones que interrumpen la aromaticidad del benzoato y del catecol. Vías de reducción Algunos microorganismos viven en ambientes extremadamente reductores que favorecen reacciones químicas que no se producirían en organismos que utilizan oxígeno como aceptor de electrones. En estos organismos, pueden utilizarse reductores potentes para favorecer reacciones que permitan la asimilación de compuestos relativamente intratables. Un ejemplo es la asimilación reductiva de benzoato, un proceso en el cual el anillo aromático sufre reducción y se rompen sus enlaces para dar origen a pimelato de ácido dicarboxílico. Otras reacciones metabólicas convierten el pimelato en metabolitos focales. Asimilación de nitrógeno La asimilación reductiva del nitrógeno molecular, también conocida como fijación de nitrógeno, es necesaria para que continúe la vida en nuestro planeta. La fijación de nitrógeno se realiza mediante una variedad de bacterias y cianobacterias que utilizan un complejo enzimático de nitrogenasa de múltiples componentes. A pesar de la variedad de organismos capaces de fijar nitrógeno, el complejo de nitrogenasa es similar en la mayoría de ellos (fig. 6–15). La nitrogenasa es un complejo de dos enzimas: una enzima contiene hierro (dinitrogenasa reductasa) y la otra contiene hierro y molibdeno (dinitrogenasa). En conjunto, estas enzimas catalizan la siguiente reacción: FIGURA 6–15 Reducción de N2 a dos moléculas de NH3. Además del reductor, la reacción de la nitrogenasa requiere de una cantidad sustancial de energía metabólica. El número de moléculas de trifosfato de adenosina (ATP) necesarias para la reducción de una única molécula de nitrógeno a amoniaco es incierto; el valor parece estar entre 20 y 24. La reacción general requiere de 8NADH + H+ (dinucleótido de nicotinamida adenina reducida). Seis de estos se usan para reducir N2 a 2NH3, y dos se emplean para formar H2. La absorción de la hidrogenasa devuelve H2 al sistema; así se conserva la energía. (Rediseñado y reproducido con autorización, de Moat AG, Foster JW, Spector MP. Microbial Physiology. 4th ed. WileyLiss; 2002. Copyright © 2002 de WileyLiss, Inc., Nueva York. Todos los derechos reservados.) Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 12 / 31 incierto; el valor parece estar entre 20 y 24. La reacción general requiere de 8NADH + H+ (dinucleótido de nicotinamida adenina reducida). Seis de estos Universidad Pontificia Bolivariana se usan para reducir N2 a 2NH3, y dos se emplean para formar H2. La absorción de la hidrogenasa devuelve H2 al sistema; así se conserva la energía. Access Provided by: (Rediseñado y reproducido con autorización, de Moat AG, Foster JW, Spector MP. Microbial Physiology. 4th ed. WileyLiss; 2002. Copyright © 2002 de WileyLiss, Inc., Nueva York. Todos los derechos reservados.) Debido a la alta energía de activación para el desdoblamiento del triple enlace, que es muy fuerte y que une a los dos átomos de nitrógeno, esta asimilación de reducción de nitrógeno demanda una cantidad sustancial de energía metabólica. Se hidrolizan entre 20 y 24 moléculas de ATP para que se reduzca una sola molécula de N2 a dos moléculas de NH3. Las demandas fisiológicas adicionales dependen del hecho de que la nitrogenasa es fácilmente inactivada por el oxígeno. Los organismos aeróbicos que utilizan la nitrogenasa han desarrollado mecanismos elaborados para proteger la enzima contra la inactivación. Algunas forman células especializadas en las que se realiza la fijación de nitrógeno, y otras han desarrollado complejas cadenas de transporte de electrones para proteger la nitrogenasa contra la inactivación por oxígeno. Las bacterias de mayor importancia en la agricultura son las Rhizobiaceae, organismos que fijan el nitrógeno simbióticamente en los nódulos de las raíces de las plantas leguminosas. La capacidad de usar amoniaco como fuente de nitrógeno está ampliamente distribuida entre los organismos. El sitio primario de entrada de nitrógeno en el metabolismo del carbono es el glutamato, que se forma mediante la aminación reductiva de cetoglutarato α. Como se muestra en la figura 6–16, existen dos mecanismos bioquímicos mediante los cuales se puede lograr esto. El primero de ellos es la reducción en un solo paso catalizada por la glutamato deshidrogenasa (fig. 6–16A), efectiva en entornos en los que existe un amplio suministro de amoniaco. El otro, un proceso de dos pasos en el que la glutamina es un intermediario (fig. 6–16B), se utiliza en entornos en los que el amoniaco escasea. Este último mecanismo permite que las células inviertan energía libre formada por la hidrólisis de enlaces de pirofosfato en el ATP, a fin de lograr la asimilación de amoniaco del medio ambiente. FIGURA 6–16 Mecanismos para la asimilación de NH3. A. Cuando la concentración de NH3 es alta, las células pueden asimilar el compuesto mediante la reacción de glutamato deshidrogenasa. B. Cuando, como suele ser el caso, la concentración de NH3 es baja, las células acoplan las reacciones de glutamina sintasa y glutamato sintasa a fin de invertir la energía producida por la hidrólisis de un enlace pirofosfato en la asimilación de amoniaco. Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 13 / 31 Universidad Pontificia Bolivariana Mecanismos para la asimilación de NH3. A. Cuando la concentración de NH3 es alta, las células pueden asimilar el compuesto mediante la reacción de Access Provided by: glutamato deshidrogenasa. B. Cuando, como suele ser el caso, la concentración de NH3 es baja, las células acoplan las reacciones de glutamina sintasa y glutamato sintasa a fin de invertir la energía producida por la hidrólisis de un enlace pirofosfato en la asimilación de amoniaco. El nitrógeno amídico de la glutamina, un intermedio en la asimilación en dos etapas del amoniaco en glutamato (véase fig. 6–16B), también se transfiere directamente al nitrógeno orgánico que aparece en las estructuras de purinas, pirimidinas, arginina, triptófano y glucosamina. La actividad y la síntesis de la glutamina sintasa están reguladas por el suministro de amoniaco y por la disponibilidad de metabolitos que contienen nitrógeno derivado directamente del nitrógeno amida de la glutamina. La mayor parte del nitrógeno orgánico en las células se deriva del grupo amino α de glutamato; el mecanismo primario por el cual se transfiere el nitrógeno es la transaminación. El aceptor habitual en estas reacciones es un cetoácido α, que se transforma en el aminoácido α correspondiente al cetoglutarato α, el otro producto de la reacción de transaminación; se puede convertir en glutamato una porción amina reductora (véase fig. 6–16). VÍAS BIOSINTÉTICAS Seguimiento de las estructuras de los precursores biosintéticos: glutamato y aspartato En muchos casos, el esqueleto de carbono de un producto final metabólico puede rastrearse hasta sus orígenes biosintéticos. La glutamina es un ejemplo obvio que se deriva claramente del glutamato (fig. 6–17). El esqueleto de glutamato en las estructuras de la arginina y la prolina (véase fig. 6– 17) es menos obvio, pero fácilmente discernible. Del mismo modo, el esqueleto de carbono del aspartato, que se deriva directamente del metabolito focal oxaloacetato, resulta evidente en las estructuras de asparagina, treonina, metionina y pirimidinas (fig. 6–18). En algunos casos, diferentes esqueletos de carbono se combinan en una vía biosintética. Por ejemplo, el aspartato semialdehído y el piruvato se combinan para formar los precursores metabólicos de la lisina, el ácido diaminopimélico y el ácido dipicolínico (fig. 6–19). Los dos últimos compuestos se encuentran sólo en las células procariotas. El ácido diaminopimélico es un componente del peptidoglucano en la pared celular; el ácido dipicolínico constituye un componente importante de las endosporas. FIGURA 6–17 Aminoácidos formados a partir del glutamato. Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 14 / 31 componente importante de las endosporas. Universidad Pontificia Bolivariana FIGURA 6–17 Access Provided by: Aminoácidos formados a partir del glutamato. FIGURA 6–18 Productos terminales biosintéticos formados a partir de aspartato. FIGURA 6–19 Productos terminales biosintéticos formados a partir de aspartato semialdehído y piruvato. Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 15 / 31 Universidad Pontificia Bolivariana FIGURA 6–19 Access Provided by: Productos terminales biosintéticos formados a partir de aspartato semialdehído y piruvato. Síntesis del peptidoglucano de la pared celular La estructura del peptidoglucano se muestra en la figura 2–17; la ruta de su síntesis se muestra simplificada en la figura 6–20A. La síntesis de peptidoglucano comienza con la síntesis por etapas en el citoplasma del ácido pentapéptido UDPNacetilmurámico. La acetilglucosamina se une por primera vez a la uridina difosfato (UDP, uridine diphosphate) y luego se convierte en ácido acetilmurámico UDPN por condensación con fosfoenolpiruvato y reducción. Los aminoácidos del pentapéptido se van añadiendo de manera secuencial. Los ribosomas y el ARNt no participan en la formación de los enlaces peptídicos. En su lugar, cada adición es catalizada por una enzima diferente e implica la división de ATP a ADP + Pi. FIGURA 6–20 A. Síntesis de peptidoglucanos. El pentapéptido contiene Llisina en el peptidoglucano de Staphylococcus aureus y ácido diaminopimélico (DAP) en Escherichia coli. También se muestra la inhibición por bacitracina, cicloserina y vancomicina. Los números corresponden a seis de las ocho etapas discutidas en el texto. La etapa 8 se representa en B. NAG, Nacetilglucosamina; NAM, Nácido acetilmurámico; UDP, uridina difosfato. B. Transpeptidación. Las reacciones de transpeptidación en la formación de los peptidoglucanos de E. coli y S. aureus. (Reproducido con autorización de Willey JM, Sherwood LM, Woolverton CJ. Prescott, Harley, and Klein Microbiology. 7th ed. McGrawHill; 2008:233–234. © McGrawHill Education.) Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 16 / 31 Escherichia coli. También se muestra la inhibición por bacitracina, cicloserina y vancomicina. Los números corresponden a seis de las ocho etapas Universidad Pontificia Bolivariana discutidas en el texto. La etapa 8 se representa en B. NAG, Nacetilglucosamina; NAM, Nácido acetilmurámico; UDP, uridina difosfato. B. Access Provided by: Transpeptidación. Las reacciones de transpeptidación en la formación de los peptidoglucanos de E. coli y S. aureus. (Reproducido con autorización de Willey JM, Sherwood LM, Woolverton CJ. Prescott, Harley, and Klein Microbiology. 7th ed. McGrawHill; 2008:233–234. © McGrawHill Education.) El pentapéptido del ácido acetilmurámico UDPN se une al bactoprenol (un lípido de la membrana celular) y recibe una molécula de N acetilglucosamina de UDP. Algunas bacterias (p. ej., Staphylococcus aureus) forman un derivado de la pentaglicina en una serie de reacciones que usan glicilARNt como donador; el disacárido completado se polimeriza a un intermediario oligomérico antes de ser transferido al extremo en crecimiento de un polímero glucopeptídico en la pared celular. Los enlaces cruzados finales (fig. 6–20B) se logran mediante una reacción de transpeptidación en la que el grupo amino libre de un residuo de pentaglicina desplaza el residuo Dalanina terminal de un pentapéptido vecino. La transpeptidación es catalizada por un grupo de enzimas llamadas proteínas de unión a penicilina (PBP, penicillinbinding proteins). El grupo de PBP se une a la penicilina y otros antibióticos βlactámicos covalentemente, en parte debido a una similitud estructural entre estos antibióticos y el precursor de pentapéptidos. Algunas PBP tienen actividades transpeptidasas o carboxipeptidasas, y quizás sus tasas relativas controlan el grado de formación de enlaces cruzados en el peptidoglucano (un factor importante en la tabicación celular). La vía biosintética del peptidoglucano es de particular importancia en medicina porque proporciona una base a la acción antibacteriana selectiva de varios agentes quimioterapéuticos. A diferencia de sus células hospederas, las bacterias no son isotónicas con los fluidos corporales. Sus contenidos están bajo una alta presión osmótica y su viabilidad depende de la integridad de la red de peptidoglucano en la pared celular que se mantiene durante todo el ciclo de crecimiento. Cualquier compuesto que inhiba cualquier paso en la biosíntesis del peptidoglucano hace que la pared de la célula bacteriana en crecimiento se debilite y la célula realice el proceso de lisis. Los sitios de acción de varios antibióticos se muestran en la figura 6–20A y B. Síntesis de los lipopolisacáridos en la envoltura celular La estructura general del lipopolisacárido antigénico de la envoltura celular de bacterias gramnegativas se muestra en la figura 2–21. La biosíntesis de los grupos terminales de repetición, que otorga a la envoltura celular su especificidad antigénica, se muestra en la figura 6–21. Téngase en cuenta el parecido con la síntesis de peptidoglucanos: en ambos casos, una serie de subunidades se ensambla en un soporte lipídico en la membrana y luego se Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 Page 17 / 31 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, transfiere a los extremos abiertos del polímero en crecimiento. ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility FIGURA 6–21 bacteriana en crecimiento se debilite y la célula realice el proceso de lisis. Los sitios de acción de varios antibióticos se muestran en la figura 6–20A y B. Síntesis de los lipopolisacáridos en la envoltura celular Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: La estructura general del lipopolisacárido antigénico de la envoltura celular de bacterias gramnegativas se muestra en la figura 2–21. La biosíntesis de los grupos terminales de repetición, que otorga a la envoltura celular su especificidad antigénica, se muestra en la figura 6–21. Téngase en cuenta el parecido con la síntesis de peptidoglucanos: en ambos casos, una serie de subunidades se ensambla en un soporte lipídico en la membrana y luego se transfiere a los extremos abiertos del polímero en crecimiento. FIGURA 6–21 Síntesis de la unidad de repetición de la cadena lateral de polisacárido de Salmonella newington y su transferencia al núcleo de lipopolisacárido. BP, bactroprenol; gal, galactosa; GDP, difosfato de guanosina; man, manosa; rha, ramnosa; TDP, difosfato de timidina; UDP, difosfato de uridina; UMP, monofosfato de uridina. Síntesis de polímeros capsulares extracelulares Los polímeros capsulares, algunos ejemplos de los cuales se enumeran en el cuadro 2–2, se sintetizan enzimáticamente a partir de subunidades activadas. No se ha implicado a ningún transportador de lípidos unido a la membrana en este proceso. La presencia de una cápsula es a menudo determinada por el medio ambiente: los dextranos y los levanos, para el examen de PLE, sólo se pueden sintetizar usando la disacárido sacarosa (fructosaglucosa) como fuente de la subunidad apropiada; por tanto, su síntesis depende de la presencia de sacarosa en el entorno de crecimiento. Síntesis de gránulos alimenticios de reserva Cuando los nutrientes exceden los requerimientos de crecimiento, las bacterias convierten a algunos de ellos en gránulos de alimentos de reserva intracelular. Los principales son el almidón, el glucógeno, el poliβhidroxibutirato y la volutina, que consiste principalmente en polifosfato inorgánico (véase capítulo 2). El tipo de gránulo formado es específico para cada especie. Los gránulos se degradan cuando los nutrientes exógenos se agotan. PATRONES DEL METABOLISMO MICROBIANO PARA LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA Como se describe en el capítulo 5, hay dos mecanismos metabólicos principales para generar los enlaces de pirofosfato ácido ricos en energía ATP: l a fosforilación del sustrato (la transferencia directa de un enlace de anhídrido de fosfato de un donante orgánico a ADP) y la fosforilación de ADP por Pi. Esta última reacción es desfavorable desde el punto de vista energético y debe ser impulsada por un gradiente electroquímico transmembrana, la fuerza motriz protónica. En la respiración, el gradiente electroquímico se crea a partir de un reductor y un oxidante suministrados externamente. La energía liberada por la transferencia de electrones del reductor al oxidante, a través de portadores unidos a la membrana, se acopla a la formación de gradiente electroquímico transmembrana. En la fotosíntesis, la energía luminosa genera reductores y oxidantes asociados a la membrana; la fuerza motriz protónica se genera cuando estos portadores de electrones vuelven al estado fundamental. Estos procesos se presentan a continuación. Vías de fermentación Downloaded 2024213 P Your IP is 200.3.145.12 A. Estrategias para la 4:6 fosforilación del sustrato Page 18 / 31 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility En ausencia de respiración o fotosíntesis, las células dependen completamente de la fosforilación del sustrato a la hora de lograr su sustento energético: la generación de ATP se debe acoplar a la reorganización química de los compuestos orgánicos. Muchos compuestos pueden servir como La energía liberada por la transferencia de electrones del reductor al oxidante, a través de portadores unidos a la membrana, se acopla a la formación Universidad Bolivariana de gradiente electroquímico transmembrana. En la fotosíntesis, la energía luminosa genera reductores y oxidantes asociados a laPontificia membrana; la fuerza Provided by: motriz protónica se genera cuando estos portadores de electrones vuelven al estado fundamental. Estos procesos seAccess presentan a continuación. Vías de fermentación A. Estrategias para la fosforilación del sustrato En ausencia de respiración o fotosíntesis, las células dependen completamente de la fosforilación del sustrato a la hora de lograr su sustento energético: la generación de ATP se debe acoplar a la reorganización química de los compuestos orgánicos. Muchos compuestos pueden servir como sustratos de crecimiento fermentables; muchas vías para su desarrollo han evolucionado. Estas vías tienen las siguientes tres etapas generales: 1) conversión del compuesto fermentable al donante de fosfato para la fosforilación del sustrato (esta etapa a menudo contiene reacciones metabólicas en las que NAD+ se reduce a NADH), 2) la fosforilación de ADP por el donante de fosfato rico en energía y 3) pasos metabólicos que llevan los productos de la fermentación al equilibrio químico con los materiales de partida. El requisito más frecuente en la última etapa es un mecanismo para la oxidación de NADH, generado en la primera etapa de la fermentación, a NAD+ para que la fermentación pueda continuar. En las siguientes secciones se consideran ejemplos de cada una de las tres etapas de la fermentación. B. Fermentación de la glucosa La diversidad de vías fermentativas se ilustra mediante la consideración de algunos de los mecanismos utilizados por los microorganismos para lograr la fosforilación del sustrato a expensas de la glucosa. En principio, la fosforilación de ADP a ATP se puede acoplar a cualquiera de las dos transformaciones químicamente equilibradas: Los mecanismos bioquímicos mediante los cuales se logran estas transformaciones varían considerablemente. En general, la fermentación de la glucosa se inicia por su fosforilación a G6PD. Existen dos mecanismos mediante los cuales se puede lograr esto: 1) la glucosa extracelular se puede transportar a través de la membrana citoplásmica hacia la célula y luego se puede fosforilar mediante ATP para producir G6PD y ADP, y 2) en muchos microorganismos, la glucosa extracelular se fosforila. Se transporta a través de la membrana citoplásmica por un sistema enzimático en la membrana citoplásmica que fosforila a la glucosa extracelular a expensas del fosfoenolpiruvato, produciendo G6PD intracelular y piruvato. El último proceso es un ejemplo de metabolismo vectorial, un conjunto de reacciones bioquímicas en las que tanto la estructura como la ubicación del sustrato están alteradas (véase capítulo 2). Se debe tener en cuenta que la elección de ATP o fosfoenolpiruvato como agente de fosforilación no altera el rendimiento de ATP de la fermentación debido a que se utiliza el fosfoenolpiruvato como fuente de ATP en las últimas etapas de la fermentación (véase fig. 6–8). C. Vía de EmbdenMeyerhof Esta vía (fig. 6–22), que con frecuencia se encuentra como mecanismo para la fermentación de la glucosa, utiliza a una cinasa y a una aldolasa (véase fig. 6–6) para transformar hexosa de fosfato (C6) en dos moléculas de triosa de fosfato (C3). Existen cuatro reacciones de fosforilación del sustrato que acompañan la conversión de la triosa de fosfato en dos moléculas de piruvato. Por tanto, al tomar en consideración los dos enlaces de pirofosfato de ATP necesarios para formar triosa de fosfato a partir de la glucosa, la vía de EmbdenMeyerhof produce un rendimiento neto de dos enlaces de pirofosfato de ATP. La formación de piruvato a partir de triosa de fosfato es un proceso oxidativo en el cual se forma NADH en el primer paso metabólico (véase fig. 6–22); NADH debe oxidarse a NAD+ para que la fermentación proceda. Dos de los mecanismos más simples para lograr este objetivo se ilustran en la figura 6–23. La reducción directa de piruvato por NADH produce lactato como producto final de la fermentación, por tanto, da como resultado la acidificación del medio. De manera alternativa, el piruvato puede ser descarboxilado a acetaldehído, que luego se utiliza para oxidar NADH, lo que da como resultado la formación de etanol, un producto neutro. La vía tomada está determinada por la historia evolutiva del organismo y, en algunos microorganismos, por sus condiciones de crecimiento. FIGURA 6–22 Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 La vía de EmbdenMeyerhof. Esta es una de las tres vías glucolíticas utilizadas para catabolizar la glucosa al piruvato, y puede funcionar durante la Page 19 / 31 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, respiración aeróbica, la respiración anaerobia y la fermentación. Cuando usan durante un proceso respiratorio, los electrones aceptados por NAD+ ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policyse Notice Accessibility (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato) se transfieren a una cadena de transporte de electrones y, en última instancia, son aceptados por un aceptor de electrones exógeno. Cuando se utilizan durante la fermentación, los electrones aceptados por NAD+ se donan a un aceptor de electrones como resultado la acidificación del medio. De manera alternativa, el piruvato puede ser descarboxilado a acetaldehído, que luego se utiliza para oxidar Pontificia Bolivariana NADH, lo que da como resultado la formación de etanol, un producto neutro. La vía tomada está determinada por laUniversidad historia evolutiva del organismo y, en algunos microorganismos, por sus condiciones de crecimiento. Access Provided by: FIGURA 6–22 La vía de EmbdenMeyerhof. Esta es una de las tres vías glucolíticas utilizadas para catabolizar la glucosa al piruvato, y puede funcionar durante la respiración aeróbica, la respiración anaerobia y la fermentación. Cuando se usan durante un proceso respiratorio, los electrones aceptados por NAD+ (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato) se transfieren a una cadena de transporte de electrones y, en última instancia, son aceptados por un aceptor de electrones exógeno. Cuando se utilizan durante la fermentación, los electrones aceptados por NAD+ se donan a un aceptor de electrones endógeno (p. ej., piruvato). La vía EmbdenMeyerhof también es un importante anfibólico porque genera varios metabolitos precursores (se muestra en azul). ADP, difosfato de adenosina; ATP, trifosfato de adenosina. (Reproducido con autorización de Willey JM, Sherwood LM, Woolverton CJ. Prescott, Harley, and Klein Microbiology. 7th ed., McGrawHill; 2008:195. © McGrawHill Education.) FIGURA 6–23 Dos mecanismos bioquímicos por los cuales el piruvato puede oxidar NADH (nicotinamida dinucleótido adenina híbrido). A la izquierda: la formación directa de lactato, lo que da como resultado la producción neta de ácido láctico a partir de glucosa. A la derecha: la formación de los productos neutros dióxido de carbono y etanol. Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 20 / 31 FIGURA 6–23 Universidad Pontificia Bolivariana Dos mecanismos bioquímicos por los cuales el piruvato puede oxidar NADH (nicotinamida dinucleótido adenina híbrido). A la izquierda: la Access Provided by: formación directa de lactato, lo que da como resultado la producción neta de ácido láctico a partir de glucosa. A la derecha: la formación de los productos neutros dióxido de carbono y etanol. D. Fermentaciones de EntnerDoudoroff y de heterolactato Las vías alternativas para la fermentación de la glucosa incluyen algunas reacciones enzimáticas especializadas que se muestran en la figura 6–24. La vía de EntnerDoudoroff se aparta de otras vías del metabolismo de los carbohidratos por una deshidratación del 6fosfogluconato seguida de una reacción de aldolasa que produce piruvato y triosa fosfato (fig. 6–24A). La fermentación de heterolactato y algunas otras vías de fermentación dependen de una reacción de la fosfocetolasa (fig. 6–24B) que produce el desdoblamiento fosforolítico del cetosafosfato para producir acetilfosfato y triosafosfato. El anhídrido de ácido acetil fosfato se puede utilizar para sintetizar ATP o el metabolismo adicional de la triosa de fosfato puede permitir la oxidación de dos moléculas de NADH a NAD+ en la medida que se reduce a etanol. FIGURA 6–24 Reacciones asociadas a vías específicas de fermentación de carbohidratos. A. Las reacciones deshidratasa y aldolasa utilizadas en la vía de Entner Doudoroff. B. La reacción fosfocetolasa. Esta reacción, que se encuentra en varias vías para la fermentación de carbohidratos, genera el anhídrido de ácido acetil fosfato mixto, que se puede usar para la fosforilación del sustrato de difosfato de adenosina (ADP). Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 21 / 31 FIGURA 6–24 Universidad Pontificia Bolivariana Reacciones asociadas a vías específicas de fermentación de carbohidratos. A. Las reacciones deshidratasa y aldolasa utilizadas en la vía de Entner Access Provided by: Doudoroff. B. La reacción fosfocetolasa. Esta reacción, que se encuentra en varias vías para la fermentación de carbohidratos, genera el anhídrido de ácido acetil fosfato mixto, que se puede usar para la fosforilación del sustrato de difosfato de adenosina (ADP). Los esquemas generales de las respectivas vías, EntnerDoudoroff y heterolactato, se muestran en las figuras 6–25 y 6–26. Las vías producen sólo una molécula de triosa de fosfato a partir de la glucosa; el rendimiento energético es correspondientemente bajo: a diferencia de la vía de Embden Meyerhof, las vías de EntnerDoudoroff y del heterolactato producen sólo una única fosforilación neta del sustrato de ADP por molécula de glucosa fermentada. ¿Por qué se han seleccionado las vías alternativas para la fermentación de la glucosa en el entorno natural? Para responder esta pregunta se deben tener en cuenta dos hechos. Primero, en la competencia por el crecimiento directo entre dos especies microbianas, la velocidad de utilización del sustrato puede ser más importante que la cantidad de crecimiento. En segundo lugar, la glucosa es uno de los muchos carbohidratos encontrados por los microorganismos en su ambiente natural. Las pentosas, por ejemplo, pueden ser fermentadas de manera eficiente por la vía heteroláctica. FIGURA 6–25 La vía de EntnerDoudoroff. ADP: adenosina difosfato, ATP: trifosfato de adenosina. Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 22 / 31 Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: FIGURA 6–26 Fermentación heteroláctica de la glucosa. ADP: adenosina difosfato, ATP: trifosfato de adenosina. Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 23 / 31 Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: E. Variaciones adicionales en las fermentaciones de carbohidratos Las vías para la fermentación de carbohidratos pueden acomodar muchos más sustratos de los que se describen aquí y los productos finales pueden ser mucho más diversos que lo sugerido hasta ahora. Por ejemplo, hay numerosos mecanismos para la oxidación de NADH a expensas de piruvato. Una de esas vías es la formación de succinato por reducción. Muchas bacterias clínicamente significativas forman piruvato a partir de glucosa a través Downloaded 2024213 4:6 yPseYour IP isdistinguir 200.3.145.12 de la vía EmbdenMeyerhof, pueden sobre la base de productos de reducción formados a partir de piruvato, lo que refleja la Page CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, constitución enzimática de diferentes especies. Los principales productos de la fermentación, enumerados en el cuadro 6–1, forman la base de24 / 31 ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility muchas pruebas de diagnóstico utilizadas en el laboratorio clínico. CUADRO 6–1 Universidad Pontificia Bolivariana E. Variaciones adicionales en las fermentaciones de carbohidratos Access Provided by: Las vías para la fermentación de carbohidratos pueden acomodar muchos más sustratos de los que se describen aquí y los productos finales pueden ser mucho más diversos que lo sugerido hasta ahora. Por ejemplo, hay numerosos mecanismos para la oxidación de NADH a expensas de piruvato. Una de esas vías es la formación de succinato por reducción. Muchas bacterias clínicamente significativas forman piruvato a partir de glucosa a través de la vía EmbdenMeyerhof, y se pueden distinguir sobre la base de productos de reducción formados a partir de piruvato, lo que refleja la constitución enzimática de diferentes especies. Los principales productos de la fermentación, enumerados en el cuadro 6–1, forman la base de muchas pruebas de diagnóstico utilizadas en el laboratorio clínico. CUADRO 6–1 Fermentaciones microbianas basadas en la vía de EmbdenMeyerhof Fermentación Organismos Productos Etanol Algunos hongos (sobre todo levaduras) Etanol, CO2 Lactato Streptococcus Lactato (que representa al menos 90% de la fuente de energía de (homofermentación) Algunas especies de Lactobacillus carbono) Lactato Enterobacter, Aeromonas, Bacillus polymyxa Etanol, acetoína, 2,3butilenglicol, CO2, lactato, acetato, formato (heterofermentación) Propionato (ácidos totales = 21 mola) Clostridium propionicum, Propionibacterium, Propionato, acetato, succinato, CO2 Corynebacterium diphtheriae Algunas especies de Neisseria, Veillonella, Micromonospora Ácidos mixtos Escherichia, Salmonella, Shigella, Proteus Lactato, acetato, formato, succinato, H2, CO2, etanol (ácidos totales = 159 mola) Butanolbutirato Butyribacterium, Zymosarcina maxima Butanol, butirato, acetona, isopropanol, acetato, etanol, H2, CO2 Algunas especies de Clostridium a Para 100 mol de glucosa fermentada. F. Fermentación de otros sustratos Los carbohidratos no son el único sustrato susceptible a fermentación. El metabolismo de aminoácidos, purinas y pirimidinas puede permitir la fosforilación del sustrato. Por ejemplo, la arginina puede actuar como fuente energética para dar origen a carbamoil fosfato, que puede utilizarse para fosforilar el ADP a ATP. Algunos organismos fermentan pares de aminoácidos utilizando a uno como donador de electrones y al otro como aceptor de electrones. Patrones de respiración La respiración requiere de una membrana cerrada para que pueda efectuarse. En las bacterias, dicha membrana es la membrana celular. Los electrones pasan desde un reductor químico hasta un oxidante químico a través de un grupo específico de transportadores de electrones en la membrana; como consecuencia se establece la fuerza motriz protónica (fig. 6–27). El retorno de los protones a través de la membrana se acopla a la síntesis de ATP. Como se sugiere en la figura 6–27, el reductor biológico para la respiración con frecuencia es NADH y el oxidante a menudo es el oxígeno. FIGURA 6–27 Acoplamiento del transporte de electrones en la respiración para la generación de ATP. Los movimientos indicados de protones y electrones están Downloaded 4:6 P (flavoproteínas, Your IP is 200.3.145.12 mediados por2024213 transportadores quinona, citocromos) relacionados con la membrana. El flujo de protones sigue un gradiente Page 25 / 31 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, electroquímico, a través de la ATPasa de membrana, que proporciona la energía para la generación de ATP a partir de ADP y Pi. Véase el texto para la ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility explicación. síntesis de ATP. Como se sugiere en la figura 6–27, el reductor biológico para la respiración con frecuencia es NADH y el oxidante a menudo es el Universidad Pontificia Bolivariana oxígeno. Access Provided by: FIGURA 6–27 Acoplamiento del transporte de electrones en la respiración para la generación de ATP. Los movimientos indicados de protones y electrones están mediados por transportadores (flavoproteínas, quinona, citocromos) relacionados con la membrana. El flujo de protones sigue un gradiente electroquímico, a través de la ATPasa de membrana, que proporciona la energía para la generación de ATP a partir de ADP y Pi. Véase el texto para la explicación. La notable diversidad microbiana radica en las variadas fuentes de reducción utilizadas para generar NADH y en que muchos microorganismos pueden usar aceptores de electrones distintos de oxígeno. Los sustratos para el crecimiento orgánico se convierten en metabolitos focales que pueden reducir NAD+ a NADH, ya sea a través de la vía de la hexosa monofosfato (véase fig. 6–7), ya sea por el ciclo del ácido tricarboxílico (véase fig. 6– 11). Pueden generarse reductores adicionales durante el desdoblamiento de algunos sustratos de crecimiento, por ejemplo, ácidos grasos (véase fig. 6–10). Algunas bacterias, llamadas quimiolitótrofas, son capaces de utilizar reductores inorgánicos para la respiración. Entre estas fuentes de energía se encuentran el hidrógeno, el hierro ferroso y varias formas reducidas de azufre y nitrógeno. El ATP derivado de la respiración y el NADPH generado por los reductores pueden ser utilizados para conducir el ciclo de Calvin (fig. 6–13). Los iones y compuestos diferentes de O2 pueden utilizarse como oxidantes terminales en la respiración. Esta capacidad de la respiración anaerobia es un rasgo microbiano de amplia difusión. Los aceptores de electrones adecuados son nitrato, sulfato y dióxido de carbono. El metabolismo respiratorio dependiente del dióxido de carbono como aceptor de electrones es una propiedad que se encuentra en un gran grupo microbiano: las arqueobacterias. Algunas (es decir, las metanógenas) son los únicos organismos capaces de producir metano (metanogénesis). Downloaded 2024213 4:6 arqueobacterias P Your IP is 200.3.145.12 Page 26 / 31 La metanogénesis es el paso final en la descomposición de la materia orgánica y, por tanto, en el ciclo del carbono. La formación de metano puede CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility 3+ verse como una forma de respiración anaerobia. Durante el proceso de descomposición, los aceptores de electrones (p. ej., oxígeno, Fe , sulfato y nitrato) se agotan mientras que el gas hidrógeno (H2) y el gas dióxido de carbono (CO2) se acumulan junto con otros productos de la fermentación (p. los reductores pueden ser utilizados para conducir el ciclo de Calvin (fig. 6–13). Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: Los iones y compuestos diferentes de O2 pueden utilizarse como oxidantes terminales en la respiración. Esta capacidad de la respiración anaerobia es un rasgo microbiano de amplia difusión. Los aceptores de electrones adecuados son nitrato, sulfato y dióxido de carbono. El metabolismo respiratorio dependiente del dióxido de carbono como aceptor de electrones es una propiedad que se encuentra en un gran grupo microbiano: las arqueobacterias. Algunas arqueobacterias (es decir, las metanógenas) son los únicos organismos capaces de producir metano (metanogénesis). La metanogénesis es el paso final en la descomposición de la materia orgánica y, por tanto, en el ciclo del carbono. La formación de metano puede verse como una forma de respiración anaerobia. Durante el proceso de descomposición, los aceptores de electrones (p. ej., oxígeno, Fe3+, sulfato y nitrato) se agotan mientras que el gas hidrógeno (H2) y el gas dióxido de carbono (CO2) se acumulan junto con otros productos de la fermentación (p. ej., acetato, formiato). Los metanógenos no usan oxígeno para respirar; el oxígeno inhibe su crecimiento. En el caso más simple, el gas hidrógeno es el donador de electrones y el gas dióxido de carbono es el aceptor de electrones terminales: Ocho electrones se transfieren de cuatro moléculas de hidrógeno a una molécula de dióxido de carbono para formar una molécula de metano. En el proceso, ocho protones se transfieren a través de la membrana para crear una fuerza motriz de protones que se puede usar para generar ATP o impulsar otros procesos celulares que utilizan energía. Este proceso único requiere de enzimas especializadas con cofactores dedicados que no se encuentran en ningún otro lugar de la naturaleza. Hay tres variaciones en este tema general: 1) el hidrógeno puede ser reemplazado por un compuesto orgánico (p. ej., formato, etanol, 2butanol), 2) el dióxido de carbono puede ser reemplazado por un compuesto que contiene un grupo metilo (p. ej., metanfetamina anol trimetilamina, sulfuro de dimetilo) y 3) el acetato puede servir como donante y aceptor de acuerdo con la siguiente ecuación: La metanogénesis es un proceso esencial en los animales rumiantes. Durante el rumen, los microorganismos anaerobios, incluidos los metanógenos, digieren la celulosa y la convierten en compuestos nutritivos para el animal. Sin estos microorganismos el ganado no podría consumir hierbas. Los productos útiles son absorbidos por el intestino, pero el metano (un gas de efecto invernadero) es liberado por el animal mediante eructos. Una vaca promedio emite alrededor de 250 L de metano por día. Al igual que en el rumen, el hidrógeno también es un producto de desecho de la fermentación en el intestino humano y, si no se elimina, se acumulará y la retroalimentación inhibirá (véase más adelante) las actividades de las bacterias fermentativas. Para evitar esto, los metanógenos (p. ej., Methanobrevibacter smithii) eliminan el hidrógeno y el dióxido de carbono en forma de gas así como el formato producido por la fermentación, y crean el metano. El paso de gas (flatulencia) ayuda a expulsar el metano y cualquier gas de hidrógeno no utilizado, así como el gas de dióxido de carbono; de esta manera la fermentación puede proseguir eficientemente. Fotosíntesis bacteriana Los organismos fotosintéticos utilizan energía luminosa para separar la carga electrónica y para crear reductores y oxidantes relacionados con la membrana, como consecuencia de un evento fotoquímico. La transferencia de electrones de reductores a oxidantes crea una fuerza motriz protónica. Muchas bacterias llevan a cabo un metabolismo fotosintético que es completamente independiente del oxígeno. La luz se utiliza como fuente de energía metabólica y el carbono para el crecimiento se deriva de compuestos orgánicos (fotoheterótrofos) o de una combinación de reductores inorgánicos (p. ej., tiosulfato) y dióxido de carbono (fotolitótrofo). Estas bacterias poseen un sistema único que, aunque es suficiente a la hora de proporcionar energía para la síntesis de ATP y la generación de gradientes iónicos esenciales transmembrana, no permite una reducción altamente exergónica de NADP+ a expensas de agua. Dicho proceso es esencial para la fotosíntesis a partir de oxígeno y depende de la energía adicional suministrada, proveniente del acoplamiento de eventos fotoquímicos diferentes llevados a cabo por dos sistemas fotoquímicos independientes. Entre los organismos procariotas, este rasgo se encuentra únicamente en las cianobacterias (bacterias verdeazules). Entre los organismos eucariotas, el rasgo es compartido por las algas y las plantas en las que el organelo que proporciona energía esencial es el cloroplasto. REGULACIÓN DE LAS VÍAS METABÓLICAS En su ambiente natural, las células microbianas generalmente regulan sus vías metabólicas, de manera que no se produzcan productos intermedios en cantidades excesivas. Cada reacción metabólica está regulada no sólo con respecto de todas las demás células, sino también con respecto de las concentraciones de nutrientes en el ambiente. Así, cuando una fuente de carbono, que habitualmente está disponible de forma esporádica, súbitamente se encuentra en cantidades abundantes, las enzimas necesarias para su catabolismo se incrementan tanto en cantidad como en actividad; por el contrario, cuando una estructura (p. ej., un aminoácido) se encuentra de manera súbita en cantidades abundantes, las enzimas necesarias para su biosíntesis disminuyen tanto en cantidad como en actividad. La regulación de la actividad y la síntesis enzimáticas proporciona un control fino y un control grueso de las vías metabólicas. Por ejemplo, la Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 inhibición de la actividad enzimática, a través de un producto secundario de una vía, constituye un mecanismo de control fino, porque el flujo de Page 27 / 31 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, carbono a través Hill. de dicha vía seReserved. regula de manera y conPolicy precisión. La inhibición de la síntesis enzimática por el mismo producto terminal ©2024 McGraw All Rights Termsinstantánea of Use Privacy Notice Accessibility constituye un mecanismo de control grueso. Las moléculas preexistentes de enzima continúan funcionando hasta que se diluyen a causa del crecimiento celular adicional, aunque la síntesis proteínica innecesaria se interrumpe de inmediato. concentraciones de nutrientes en el ambiente. Así, cuando una fuente de carbono, que habitualmente está disponible de forma esporádica, Universidad Pontificia Bolivariana súbitamente se encuentra en cantidades abundantes, las enzimas necesarias para su catabolismo se incrementan tanto en cantidad como en Access Provided by: actividad; por el contrario, cuando una estructura (p. ej., un aminoácido) se encuentra de manera súbita en cantidades abundantes, las enzimas necesarias para su biosíntesis disminuyen tanto en cantidad como en actividad. La regulación de la actividad y la síntesis enzimáticas proporciona un control fino y un control grueso de las vías metabólicas. Por ejemplo, la inhibición de la actividad enzimática, a través de un producto secundario de una vía, constituye un mecanismo de control fino, porque el flujo de carbono a través de dicha vía se regula de manera instantánea y con precisión. La inhibición de la síntesis enzimática por el mismo producto terminal constituye un mecanismo de control grueso. Las moléculas preexistentes de enzima continúan funcionando hasta que se diluyen a causa del crecimiento celular adicional, aunque la síntesis proteínica innecesaria se interrumpe de inmediato. Los mecanismos por los cuales la célula regula la actividad enzimática se presentan en la siguiente sección. La regulación de la síntesis de enzimas se discute en el capítulo 7. Regulación de la actividad enzimática A. Enzimas como proteínas alostéricas En muchos casos, la actividad de una enzima, que cataliza un paso metabólico temprano en la vía metabólica, es inhibida por un producto terminal de dicha vía. Sin embargo, tal inhibición no puede depender de la competencia por el sustrato enzimático, porque la estructura del producto terminal y del intermediario temprano (sustrato), por lo común, son bastante diferentes. En lugar de esto, la inhibición depende de que las enzimas reguladas sean alostéricas: cada enzima posee un sitio catalítico que se une al sustrato y, además, uno o más sitios que se vinculan a moléculas reguladoras pequeñas, conocidas como efectores. La unión de un efector con su sitio causa un cambio conformacional en la enzima de forma tal que la afinidad del sitio catalítico para el sustrato se reduce (inhibición alostérica), o se incrementa (activación alostérica). Las proteínas alostéricas usualmente son oligoméricas. En algunos casos las subunidades son idénticas y cada subunidad posee un sitio catalítico y un sitio efector; en otros casos, las subunidades son bastante diferentes: un tipo de subunidad posee sólo un sitio catalítico y el otro, sólo un sitio efector. B. Inhibición por retroalimentación El mecanismo general por el cual ha evolucionado en los microorganismos la regulación del flujo de carbono a través de vías biosintéticas es el más eficiente que se pueda imaginar. El producto terminal en cada caso produce una inhibición alostérica de la actividad de la primera (y sólo de la primera) enzima de la vía metabólica. Por ejemplo, el primer paso en la biosíntesis de isoleucina, que no implica ninguna otra vía, es la conversión de Ltreonina en ácido αcetobutírico, que es catalizada por la treonina desaminasa. La treonina desaminasa es inhibida de manera específica y alostérica por la Lisoleucina pero por ningún otro compuesto (fig. 6–28); las otras cuatro enzimas de la vía no se ven afectadas (aunque su síntesis sea reprimida). FIGURA 6–28 Inhibición de la retroalimentación de la Ltreonina desaminasa por la Lisoleucina (línea discontinua). Las vías para la biosíntesis de la isoleucina y la valina están mediadas por un conjunto común de cuatro enzimas, tal como se muestra. Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility C. Activación alostérica Page 28 / 31 FIGURA 6–28 Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: Inhibición de la retroalimentación de la Ltreonina desaminasa por la Lisoleucina (línea discontinua). Las vías para la biosíntesis de la isoleucina y la valina están mediadas por un conjunto común de cuatro enzimas, tal como se muestra. C. Activación alostérica En algunos casos es ventajoso para la célula, y para algún producto terminal o intermedio, activar, en lugar de inhibir, una enzima en particular. En el desdoblamiento de la glucosa por E. coli, por ejemplo, la producción excesiva de los intermediarios G6PD y fosfoenolpiruvato ocasiona la desviación de algunas moléculas de glucosa hacia la vía de la síntesis de glucógeno; esto se realiza por la activación alostérica de la enzima que convierte las moléculas de glucosa 1fosfato en ADPglucosa (fig. 6–29). FIGURA 6–29 Regulación de la utilización de la glucosa mediante una combinación de activación alostérica ( ) e inhibición alostérica ( ). AMP, monofosfato de adenosina; ATP, trifosfato de adenosina. (Reproducido con autorización de Stanier Ry Adelberg EA, Ingraham JL. El mundo microbiano. 4th ed. © 1976. Reimpreso con autorización de Pearson Education, Inc., Nueva York, Nueva York.) Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility D. Cooperatividad Page 29 / 31 Regulación de la utilización de la glucosa mediante una combinación de activación alostérica ( Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: ) e inhibición alostérica ( ). AMP, monofosfato de adenosina; ATP, trifosfato de adenosina. (Reproducido con autorización de Stanier Ry Adelberg EA, Ingraham JL. El mundo microbiano. 4th ed. © 1976. Reimpreso con autorización de Pearson Education, Inc., Nueva York, Nueva York.) D. Cooperatividad Muchas enzimas oligoméricas poseen más de un sitio de unión al sustrato y muestran interacciones cooperativas de las moléculas de sustrato. La unión del sustrato con un sitio catalítico incrementa la afinidad de los otros sitios con las moléculas adicionales de sustrato. El efecto neto de esta interacción es producir un incremento exponencial de la actividad catalítica como respuesta al incremento aritmético de la concentración de sustrato. E. Modificación covalente de enzimas Las propiedades reguladoras de algunas enzimas son alteradas por modificaciones covalentes de la proteína. Por ejemplo, la respuesta de la glutamina sintetasa a los efectores metabólicos es alterada por la adenililación, la unión covalente de ADP a una cadena lateral específica de tirosilo con cada subunidad enzimática. Las enzimas que controlan la adenililación también son controladas por modificaciones covalentes. La actividad de otras enzimas se modifica a causa de su fosforilación. F. Inactivación de la enzima La actividad de algunas enzimas es eliminada por su hidrólisis. Este proceso puede ser regulado y en ocasiones es señalizado por la modificación covalente de la enzima que ha sido marcada para su eliminación. RESUMEN DEL CAPÍTULO El metabolismo consta de dos componentes: catabolismo y anabolismo. El catabolismo consiste en procesos que recogen energía de la descomposición de los compuestos y el uso de esa energía para sintetizar ATP. El anabolismo (o biosíntesis) consiste en procesos que utilizan la energía almacenada en ATP para sintetizar las subunidades (o estructuras) de las macromoléculas que componen la célula. Los orígenes biosintéticos de las estructuras se pueden rastrear a relativamente pocos precursores, llamados metabolitos focales. La biosíntesis de peptidoglucanos es exclusiva de las bacterias. Algunos antibióticos matan a las bacterias mediante la inhibición selectiva de los pasos en la biosíntesis de peptidoglucanos. Las vías de EmbdenMeyerhof, la de EntnerDoudoroff, la del heterolactato son las utilizadas en el catabolismo de la glucosa presente en las Downloaded 2024213 4:6 P Your IP is 200.3.145.12 bacterias. El patrón de productos terminales es una característica utilizada en la identificación de especies bacterianas. Page 30 / 31 CAPÍTULO 6: Metabolismo microbiano, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility En ausencia de respiración o fotosíntesis, las bacterias dependen completamente de la fosforilación del sustrato para obtener su energía. La asimilación reductiva de nitrógeno molecular (o fijación de nitrógeno) es necesaria para que continúe la vida en nuestro planeta. Es un Los orígenes biosintéticos de las estructuras se pueden rastrear a relativamente pocos precursores, llamados metabolitos Universidadfocales. Pontificia Bolivariana Access Provided by: La biosíntesis de peptidoglucanos es exclusiva de las bacterias. Algunos antibióticos matan a las bacterias mediante la inhibición selectiva de los pasos en la biosíntesis de peptidoglucanos. Las vías de EmbdenMeyerhof, la de EntnerDoudoroff, la del heterolactato son las utilizadas en el catabolismo de la glucosa presente en las bacterias. El patrón de productos terminales es una característica utilizada en la identificación de especies bacterianas. En ausencia de respiración o fotosíntesis, las bacterias dependen completamente de la fosforilación del sustrato para obtener su energía. La asimilación reductiva de nitrógeno molecular (o fijación de nitrógeno) es necesaria para que continúe la vida en nuestro planeta. Es un proceso de uso intensivo de energía realizado por una variedad de bacterias y cianobacterias que utilizan un complejo enzimático de nitrogenasa de múltiples componentes. La regulación de la actividad enzimática proporciona tanto un control fino como un control grueso de las vías metabólicas, de modo que no se produzca ningún intermedio en exceso. REFERENCES Atlas RM, Bartha R: Microbial Ecology: Fundamentals and Applications , 4th ed. Benjamin Cummings, 1998. Downs DM: Understanding microbial metabolism. Annu Rev Microbiol 2006;60:533. [PubMed: 16771650] Fuchs G: Alternative pathways of carbon dioxide fixation: Insights into the early evolution of life? Annu Rev Microbiol 2011;65:631. [PubMed: 21740227] Gibson J, Harwood CS: Metabolic diversity in aromatic compound utilization by anaerobic microbes. Annu Rev Microbiol 2002;56:345. [PubMed: 12142480] Hillen W, Stülke J: Regulation of carbon catabolism in Bacillus species. Annu Rev Microbiol 2000;54:849. [PubMed: 11018147] Ishihama A: Functional modulation of Escherichia coli RNA polymerase. Annu Rev Microbiol 2000;54:499. 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Metabolismo Microbiano - Capítulo 6 - Universidad Pontificia Bolivariana

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