Metabolismo

Bacteriano

Martha Lily Ocampo G.

Facultad de Ciencias

Biotecnologa Microbiana

NUTRICIN CELULAR Y

METABOLISMO. La nutricin es el conjunto de procesos de intercambio

de materia y energa que realizan los seres vivos con su entorno con el fin de crear ms materia viva, mantener sus estructuras y reproducirse.

Comprende:

a. La captura e ingestin de nutrientes

b. El transporte y distribucin de los nutrientes

c. La digestin o intracelular

d. El metabolismo

e. La excrecin

Compuestos inorgnicos necesarios crecimiento

bacteriano

Ion Funcin

K+ Maintenance of ionic strength; cofactor for certain enzymes

NH4+ Principal form of inorganic N for assimilation

Ca++ Cofactor for certain enzymes

Fe++ Present in cytochromes and other metalloenzymes

Mg++ Cofactor for many enzymes; stabilization of outer membrane of

Gram- bacteria

Mn++ Present in certain metalloenzymes

Co++ Trace element constituent of vitamin B12 and its coenzyme

derivatives and found in certain metalloenzymes

Cu++ Mo++

Ni++,Zn++

Trace element present in certain metalloenzymes

SO4-- Principal form of inorganic S for assimilation

PO4--- Principal form of P for assimilation and a participant in many

metabolic reactions

CAPTURA E INGESTIN DE NUTRIENTES POR

PARTE DE LAS CLULAS.-

En las bacterias hetertrofas no existedigestin intracelular, fabrican enzimasdigestivas que vierten al exterior cuando sealimentan de macromolculas y partculasorgnicas, ya que carecen de sistemasmembranosos interiores. Las pequeasmolculas obtenidas as son transportadas porprotenas de la membrana plasmtica al interiorbacteriano.

En hongos tambin existen digestionesextracelulares.

Requisitos para el crecimiento

bacteriano

La generacin de ATP y

de poder reductor I

.- Modos de metabolismo generador de ATP.

- A) Oxidacin de compuestos orgnicos.

- Rutas de degradacin de carbohidratos y formacin de piruvato.

- Rutas de utilizacin del piruvato I:

Fermentaciones microbianas: alcohlica, lctica, propinica, cido-mixta, acetobutanlica y otras

- Rutas de utilizacin del piruvato II:

- Respiracin aerobia: ciclo de Krebs.

- Respiracin anxica

La generacin de ATP y de poder

reductor II

- B) Oxidacin de compuestos inorgnicos.

- C) La luz como fuente de energa.- Organizacin y localizacin del aparato

fotoqumico.

- El papel de la clorofila y bacterioclorofila en la fotosntesis.

- Generacin fotoqumica del poder reductor.

- Fotosntesis oxignica.

- Fotosntesis anoxignica.

Biosntesis y polimerizacin

- Consumo de energa y poder reductor.-

Asimilacin de Carbono: fijacin y reduccin de

CO2.

- Asimilacin de Nitrgeno: amoniaco, nitratos.

- Fijacin y reduccin de Nitrgeno atmosfrico.

- Asimilacin del Azufre.

- Biosntesis de monmeros.

- Polimerizacin de monmeros.

- Biosntesis de macromolculas.

Sntesis de la molcula lineal de peptidoglican de

Staphylococcus aureus

EJEMPLOS DE PRODUCTOS BIOSINTTICOS

MICROBIANOS - BIOTECNOLOGA ALIMENTARIA

Integracin y control de los

procesos metablicos- Base bioqumica de la regulacin.

- Mecanismos de regulacin.- Regulacin de la produccin de enzimas.

- Induccin y represin enzimticas.

- Control positivo y control negativo.

- Represin por catabolito y por producto final.

- El opern arabinosa.

- Mecanismo de control por atenuacin: biosntesis de triptfano.

- Regulacin de la actividad enzimtica en rutas ramificadas.

PRINCIPALES PROCESOS

METABLICOS EN

MICROORGANISMOS

Vi

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VIAS PRINCIPALES

Embden-Meyerof-Paras (EMP)

Pentosas fosfato (PPP)

Entner-Doudoroff (ED)

Similaridades:

Las tres vas convierten la glucosa afosfogliceraldehdo, aunque por rutas

diferentes.

El fosfogliceraldehdo es convertido apiruvato por las mismas reacciones en las

3 vas.

IMPORTANCIA

Las vas metablicas son la principalfuente de energa en forma de ATP,

NADH (principalmente) y FADH2;

indispensables para el desarrollo de los

microorganismos.

Adems, estas vas metablicas centrales,proporcionan metabolitos precursores de

otras vas fundamentales.

El ATP es el trasportador activado

mas

importante en la clula

Las fuentes y los mecanismos de

generacin de energa de los procariotas

son mas diversos que los de los eucariotas

EMBDEN-MEYERHOF-PARAS (EMP)

O GLICOLISIS.

Etapa 1:

1 Glucosa 2 Fosfogliceraldehdo

2ATP 2ADPAlgunas bacterias fosforilan glucosa durante el transporte celular por el sistema fosfotrasferasa , en el que el fosforil es donado por el PEP.

Etapa 2:

2 Fosfogliceraldehdo Piruvato

2Pi + 4ADP + 2NAD+ 4ATP + 2NADH+ 2H+

Total:

Glu+2ADP+2Pi+2NAD+

2Piruvato+2ATP+2NADH+2H+

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http://www.sp.uconn.edu/~terry/images/anim/protgradbact.gif

GLICOLISIS COMO UNA VA

ANABLICA.

La va glicoltica no solo sirve para oxidarcarbohidratos a piruvato y fosforilar ADP,

sino tambin, para proporcionar metabolitos

precursores a otras vas.

Adems, cuando los MO no crecen encarbohidratos, pueden sintetizar los

intermediarios glicolticos de otras fuentes

de carbono como aminocidos, cidos

carboxlicos y lpidos.

VIA PENTOSAS FOSFATO

Produce la pentosa fosfato precursora de la ribosa y desoxirribosa en los cidos nucleicos.

Produce la eritrosa fosfato precursora de los aminocidos aromticos, fenilalanina, tirosina y

triptfano.

Produce NADPH, como la mayor fuente de electrones.

G6P + 6NADP+ 3CO2 + PAGLD + 6NADPH + 6H+

BACTERIAS DEPENDIENTES DE PPP

Thiobacillus novellus y Brucella abortus,carecen de la primera etapa de la EMP y las

enzimas de ED, por lo que usan una PPP

oxidativa para crecer en glucosa:

1 Oxidan la glucosa a Fosfogliceraldehdo por

PPP.

2 El Fosfogliceraldehdo es oxidado a piruvato,

por la etapa 2 de EMP.

3 El piruvato es oxidado a CO, por la va del

cido ctrico.

VIA FOSFOCETOLASA (HETEROLACTICA)

Enzima fosfocetolasa, que divide lapentosa fosfato en glyceraldehido-3-fosfato

y acetyl fosfato.

Es empleada principalmente por bacteriascido heterolacticas, que incluye

Lactobacillus y Leuconostoc.

La sobre reaccin es :Glucosa ---------->1 cido lactico + 1 etanol +1 CO2 + 1 ATP.

VIA ENTNER-DOUDOROFF (ED)

Es caracterstica de los procariotas.

Es de amplia extensin entre las bacterias

aerbicas GRAM-.

Algunas bacterias no pueden realizar la EMP, por lo que dependen de ED.

Glu + NADP+ + NAD+ + ADP + Pi

2Ac. Pirvico + NADPH + 2H+ + NADH + ATP

La va Entner-Doudoroff, puede degradarcidos aldonicos (aldosas oxidadas) como

el gluconato. La E. coli, por ejemplo puede

tomar el gluconato como fuente de carbn

para su crecimiento.

El crecimiento en gluconato induce laproduccin de 3 enzimas: gluconoquinasa,

6-fosfogluconato deshidratasa y KDPG

aldolasa.

Algunas bacterias (Pseudomonas), no tienen fosfofructoquinasa, por lo que no

pueden llevar a cabo la oxidacin de la

glucosa y usan la va ED.

VIA NO FOSFORILADA ED

Se encuentra en Halobacterium saccharovorum, Clostridium, Alcaligenes,

Achromobacter y Rhodopseudomonas

sphaeroides.

Presenta intermediarios no fosforilados previos a 2-ceto-3-deoxygluconato.

Estas bacterias pueden usar el catabolismo de gluconato o glucosa si la

glucosa deshidrogenasa est presente.

PRODUCTOS DEL PIRUVATO

El piruvato es el producto comn del

catabolismo de los

azcares en todas

las vas principales.

Lo que sucede con el piruvato, depende

de si el organismo

respira

aerobicamente

(Acetil CoA) o si

realiza fermentacin

(Lactato, etanol).

La va es operada por Saccharomyces para producir etanol y CO2.

Tambin, es usada por las bacterias cido (homo)lacticas, para la

produccin de cido lactico y por otras

bacterias para la produccin de c.

grasos, alcoholes y gases.

Las fermentaciones son componentes esenciales de alimentos y bebidas y

son utilizados en la industria como

solventes y combustibles.

Pathway Key enzyme Ethanol Lactic Acid CO2 ATP

Embden-Meyerhof

Saccharomycesfructose 1,6-diP aldolase 2 0 2 2

Embden-Meyerhof

Lactobacillusfructose 1,6-diP aldolase 0 2 0 2

Heterolactic

Streptococcusphosphoketolase 1 1 1 1

Entner-Doudoroff

ZymomonasKDPG aldolase 2 0 2 1

Productos finales de las

fermentaciones microbianas

CICLO DEL CIDO CITRICO El ciclo de Krebs, no solo es utilizado para la

oxidacin de Acetil CoA; el succinil CoA es

necesario para la sntesis de aminocidos, ya

que provee precursores de 10 aa que se

encuentran en las protenas.

Tambin es precursor de tetrapirroles, que songrupos prostticos en varias protenas,

citocromos y clorofilas

Es la principal fuente de energa.

Est presente en la mayora de bacteriasaerobias, y en algunas anaerobias que reducen

el sulfato y lo utilizan como aceptor de e-.

CICLO DEL GLIOXILATO

Va para el metabolismo de Acetil CoA.

El ciclo del glioxilato es fundamental en las bacterias aerobias, para su

crecimiento en cidos grasos y acetato.

El glioxilato se combina con acetil CoA para formar malato. El malato se puede

convertir en oxaloacetato a pesar de la

extraccin del succinato, que puede ser

usado en la produccin de porfirinas o

aa.

CICLO DE CALVIN

La fijacin de CO2 en la mayor parte de losfottrofos y en los organismos auttrofos

ocurre por el ciclo de Calvin, donde el

enzima ribulosa bifosfato carboxilasa

(RubisCO) juega un papel importante.

El ciclo de Calvin consume energa y utilizaNADPH y ATP para reducir el CO2 al

estado de oxidacin del material celular.

FO

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METABOLISMO FOTOTROFICO

Algunos procariotas pueden convertir laenergia de la luz en energa qumica:cianobacterias, bacterias prpuras y verdesy la "halobacteria".

Las cianobacterias realizan la fotosntesisvegetal: fotosntesis oxignica; lasprpuras y verdes realizan la fotosintessbacteriana o anoxignica; las haloflicasusan un tipo no fotosinttico.

TRANSPORTE DE e- Y FUERZA PROTOMOTRIZ

Durante el transporte de e- se produce ATP porfosforilacin oxidativa.

Los transportadores de e- estn orientados en lamembrana, dando lugar a la separacin deprotones, que son bombeados fuera de la clula,provenientes de la disociacin del agua al igualque los OH que permanecen al interior de esta.

El resultado neto es la generacin de un gradientede pH y un potencial electroqumico por lasdiferencias de cargas y de pH, que originan unestado energizado de la membrana (FPM) y quepuede ser utilizado para la formacin de ATP, lamovilidad (rotacin del flagelo) y el transporteactivo (lactosa y prolina).

+400mV

+200mV

+100mV

-100mV

-250mV

-300mV

-400mV

Metabolismo aerobio

Metabolismo

anaerobio

Reduccin NO3-

Reduccin SO4=

Reduccin CO3=

Fotosntesis oxignica

Fe2+ Fe3+

Bact.Fot. rojas

Bact. Fot. verdes

Fer

men

taci

n

O2

RESPIRACION

FORMAS TXICAS DEL OXGENO

OXGENO SINGLETE O2

Los 2 e externos con spines antiparalelos bien el mismo orbital o en distintos orbitales

Se forma - Qumicamente: Contaminante atmosfrico

- Bioqumicamente:

Fotooxidacin: En presencia de luz visible con unamolcula fotosensible que acta de mediador absorbiendo

luz

Mediante sistemas enzimticos tipo peroxidasa(lactoperoxidasa, mieloperoxidasa) en la leche, saliva,

fagocitos. Convierte iones Cl en hipoclorito OCl que

reacciona con H2O2 dando O2

Cl- OCl- + H2O2 O2 + OH- + HCl

- Fotoqumicamente en la atmsfera superior reaccionando

con O2 para dar ozono O3

FORMAS TXICAS DEL OXGENO

ANION SUPERXIDO O2-Primer producto en la reduccin del O2 a H2O 2

O2 + e- O2-

Tambin se produce por mediacin de la luz ms

molculas fotosensibles (flavinas, quinonas, tioles) y

transferencia de un e- al O2Vida media muy larga, difunde de unas clulas a otras

(sensibilidad de anaerobios estrictos)

Se elimina por accin de la superxido-dismutasa, dando

H2O2O2- + O2- + 2H+ H2O2 + O2

PERXIDO DE OXGENO O22- (H2O2)

Siguiente paso de la reduccin del oxgeno en el proceso respiratorio

O2- + e- + 2H+ H2O2

Se elimina

Por catalasas

H2O2 + H2O2 2H2O + O2

Por peroxidasas asociadas a donadores de electrones

H2O2 + NADH + H+ 2H20 + NAD

+

RADICAL HIDROXILO OH.

Siguiente paso del proceso respiratorio

H2O2 + e- + H+ H2O + OH

.

Tambin se forma por accin de radiaciones ionizantes (rayos X, radiacin )

Es el agente oxidante ms potente. Destruye cualquier sustancia orgnica de las clulas

FORMAS TXICAS DEL OXGENO

Bacteria SPODsa Catalasa

Aerobios o anaerobios facultativos

Escherichia coli

Pseudomona spp

Deinococcus radiodurans

+

+

+

+

+

+

Bacterias aerotolerantes

Butyribacterium rettgery

Streptococcus faecalis

Streptococcus lactis

+

+

+

-

-

-

Anaerobios estrictos

Clostridium pasteurianos

Clostridium acetobutylicum-

-

-

-

electron

acceptor

reduced end

productname of process organism

O2 H2O aerobic respirationEscherichia,

Streptomyces

NO3 NO2, NH3 or N2anaerobic respiration:

denitrification

Bacillus,Pseudomonas

SO4 S or H2Sanaerobic respiration: sulfate

reductionDesulfovibrio

fumarate succinateanaerobic respiration:

using an organic e- acceptorEscherichia

CO2 CH4 methanogenesis Methanococcus

Aceptores finales de e- en la

respiracin de bacterias

REOXIDACIN DEL NADH

Respiracin (aerbica o anxica):NADH + H+ + B + y ADP + y Pi NAD+ + BH2 + y ATP

y= N sitios acoplamiento; B= Aceptor final de e-

Fermentacin (anxica):NADH + H+ + B (orgnico) NAD+ + BH2

Hidrogenasa (anxica):

NADH + H+ H2 + NAD+

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PRODUCTOS, REACCIONES Y GRUPOS MICROBIANOS RESPONSABLES

DE LOS PROCESOS FERMENTATIVOS MAS IMPORTANTES

Los grupos de bacterias que mas interesan desde el punto de vista alimentario son:

enterobacterias y clostridium (Sanitario) y bacterias lcticas , propionibacterias y

levaduras (Productivo)

Levaduras

Zimomonas

Lctico+ etanol+ CO2

Lactobacilos.

Streptococcus

Leuconostoc

Clostridium

propionicum y

Propioniobacterium

enterobacterias

Clostridium

butiricum

Biomasa + CO2O2

H

Hongos

comerciales

ligninaCICLOS BIOGEOQUMICOS

ORGANISMOS EN EL CICLO

BIOGEOQUIMICO DEL C

ligninaCiclo de Carbono

Celulosa

Lignina

Polmero aromtico complejo,componente mayoritario de la madera,estable a la degradacin anaerbica y sedescompone mediante la accinmicrobiana en condiciones aerbicas.

Reaccin:Lignina fenoles + alcohol

fenoloxidasa, lacasa, lignina-peroxidasa

Coniferinico +alcohol sinapilico+polifenoles + hexosas + pentosas.

ligninaCiclo de Azufre

MECANISMOS DE INTERACCIN DE

MICROORGANISMOS CON METALES

-Precipitacin extracelular

-Acomplejamiento extracelular (Fe, Mb, Va,..)

-Unin o precipitacin a la superficie del MO

- Acumulacin intracelular (metalotioneinas)

(K+, Fe2+,Mg2+, Zn, Cd, Cu,Ni,Ag,)

- Volatilizacin (Hg, As, Se, Te,)

Ciclo del Nitrgeno

Relaciones entre el metabolismo del N inorgnico y

orgnico: Ni (marrn), Norg (morado)

Representacin esquemtica de la fijacin de N: Nitrogenasa

(verde): protena con Mo-Fe. La Rdx-CII, es la ferrodoxina (en

Rizobium) y flavodoxina (Klebsiella), otros MO : Azotobacter (3

nitrogenasas Vanadio en vez de Mo)

Destino de los esqueletos carbonados de los aminocidos:

a glucognicos: naranja a cetognicos: azul

a que pueden ser: gluco-cetognicos : morado

*: a con mas de una va de entrada en las rutas centrales.

Fijacin de Nitrgeno:

Proceso anxico, altamente reductivo:

NITROGENASA REQUIERE ATP

Y PODER REDUCTOR

Bloqueada por oxigeno, NH3, NO3 y A

Bacterias fijadoras:

LIBRES: * aerobios

* anxico

SIMBITICOS: leguminosas, no leguminosas

Procesos importantes en suelo y

ecosistemas acuosos:

Fijacin: 85% es biolgica, (60% en suelo y 40% en ocanos)

Nitrificacin: en suelos: nitrato preferencialmente absorbido por plantas pero se pierde por lixiviacin

Desnitrificacin: prdida de N del ecosistema

es importante en suelos 20-30% del N agregado como fertilizantes

- aplicacin en el tratamiento biolgico de efluentes

SISTEMAS DE TRATAMIENTO

BIOLOGICO DE DESECHOS

No hay ciclo gaseoso, dos reservorios:

- geolgico

- biolgicamente activo (mucho menor ymas activo) no hay cambio deestado de oxidacin: PO4= esnutriente limitante en suelos y lagos

Eutroficacin: entrada de nutrientes aecosistemas acuosos, especialmentefsforo (detergentes y fertilizantes)metabolismo aerobio metabolismoanaerobio

El ciclo del fsforo

CICLO DEL AZUFRE

Ciclo Global S

Formas de Inorgnico S

Estructura C-S

Ester Sulfatos

Procariotas Litotrficas Oxididoras

Azufre

Thiobacillus spp. Caracteristicas

Procariotes Desasimilatorios Sulfuro-

Reduccin

Molecular adaptations to psychrophily:

the impact of omic technologies

Ana Casanueva1, Marla Tuffin1, Craig Cary2 and Don A. Cowan1

1 Institute for Microbial Biotechnology and Metagenomics, University of the Western

Cape, Bellville 7535, Cape Town, South Africa2 Department of Biological Sciences, University of Waikato, Hamilton, New Zealand

Cambios en protenas psicrfilos Explicacin o consecuencia Fuente organismo y la enzima

Frecuencia reducida de la

superficie, el dominio y las

interrelaciones entre las

subunidades inicos y redes de

iones

Aumento de la flexibilidad conformacional y

reduccin de la contribucin a la estabilidad entlpica

Aliivibrio salmonicida catalasa

Colwellia psychrerythraea aminopeptidasa.

Pseudomonas fluorescens b-lact.

Aumento de la superficie no

apareados residuos cargados

Mayor flexibilidad conformacional y retencin de agua mayor, lo

que lleva a una mayor contribucin entrpica a la

responsabilidad

Vibrio sp. PA44 serina proteasa.

Bacillus sp. TA41 subtilisina S41.

Aliivibrio salmonicida superxido dismutasa.

Disminucin de la interaccin

hidrfoba interna

Reduccin del efecto hidrofbico Vibrio sp. PA44 serina proteasa.

Colwellia psychrerythraea aminopeptidasa.

Aumento de disolventes residuos

hidrfobos expuestos

Entropica desestabilizacin Vibrio sp. PA44 serina proteasa.

Aliivibrio salmonicida protenas.

Colwellia psychrerythraea aminopeptidasa.

Bucles externos de longitud

mayor

Renders estructura menos compacta y menos estables Pseudoalteromonas haloplanktis cellulase.

Colwellia psychrerythraea aminopeptidase.

Contenido reducido de prolina y

arginina

El aumento de la entropa molecular Aliivibrio salmonicida proteins.

Colwellia psychrerythraea aminopeptidase.

Pseudomonas fluorescens b-lactamase.

Disminucin del nmero de

enlaces de H y puentes de sal

Mayor flexibilidad Colwellia fenilalanina hidroxilasa

psychrerythraea

Aliivibrio salmonicida endonuclease I.

Pseudomonas fluorescens b-lactamase.

Cold-active zinc metalloprotease.

Aumento de la movilidad o la

accesibilidad del sitio activo de

residuos o

Mayor flexibilidad para el sustrato y cofactor vinculante Pseudomonas sp. PAP metalloprotease.

Colwellia psychrerythraea phenylalanine

hydroxylase.

Aliivibrio salmonicida catalase.

Los avances de la

genmica,

metagenmica y

proteomica en la

psicrfilia

Uno de los objetivos primarios

del genoma psicrofilo y su

secuenciacin metagenomica ha

sido la identificacin de los

determinantes de la secuencia

de los psicrofilos

Tomado de: Microbial Biotechnology-Fundamentals of Applied Microbialy 2end ed. Glazer. p 269

MapaGentico de Xanthomonas campestris pv. Campestris operon gum codifica proteinas requeridas

para biosintesis y exportacin de xantano

GumD, GumM, GumH, GumK, and GumI catalyze reactions 1 through 5.

GumL catalyzes the pyruvyl addition to the external mannose.

GumF catalyzes the acetylation of the internal -mannose GumG the acetylation of the external -mannose.

c

Cleaning up with genomics:

Applying molecular biology to

bioremediation

Lovely, 2003

Nature reviews, Microbiology

The genome of Geobacter bemidjiensis, exemplar for the

subsurface clade of Geobacter species that predominate

in Fe(III)-reducing subsurface environments