Tema 9. Metabolismo de quimioheterótrofos Flashcards
¿Cómo es el metabolismo en microorganismos quimioheterótrofos?
Los quimioheterótrofos utilizan como fuente de carbono compuestos orgánicos y obtienen energía por:
a) Fosforilación a nivel de sustrato (en respiradores y único mecanismo en fermentadores)
b) Fosforilación oxidativa con cadena de transporte de electrones y ATPasa (en respiradores, pero ausente en fermentadores)
Los respiradores regeneran los cofactores oxidados (NAD) en la fosforilación oxidativa al ceder los electrones de los cofactores reducidos (NADH+H+) a la cadena de transporte de electrones. Mientras, en fermentadores son las propias fermentaciones las encargadas de oxidar los cofactores reducidos
Los hongos, protozoos, las arqueas y la mayoría de las bacterias son organismos quimioheterótrofos
Sin embargo, el problema no está tanto en cómo se obtiene la energía sino en que, para obtenerla, esos microorganismos deben estar continuamente oxidando la materia orgánica para que ceda electrones. No obstante, ya hemos visto que esa oxidación solamente se da si hay otro compuesto que se reduzca en la célula. Dichos compuestos son los cofactores oxidados, que captan el poder reductor de la materia orgánica. Lo que ocurre es que en respiradores dichos cofactores oxidados vienen muy bien porque, además, cederán sus electrones a la cadena de transporte, lo que servirá para obtener más ATP todavía. El problema está con los fermentadores que no tienen cadena de transporte para recuperar los cofactores oxidados y seguir generando energía mediante fosforilación a nivel de sustrato y obtener así ATP. Estos lo que hacen es llevar a cabo fermentaciones para recuperar dichos cofactores
¿Cómo obtienen la energía los quimoheterótrofos respiradores?
Los respiradores obtienen energía a partir de proteínas, carbohidratos, y lípidos. Los carbohidratos siguen la glucólisis o vías alternativas en las que se genera acetil-CoA. Este también es el producto de degradación de los ácidos grasos en la beta-oxidación y de las proteínas por proteasas
En la glucólisis se genera ATP por fosforilación a nivel de sustrato y se producen cofactores reducidos (NADH+H+). La oxidación de materia orgánica hasta ácido pirúvico prosigue con el ciclo de Krebs en el que la materia se oxida completamente hasta CO2. Para que el ciclo de degradación de materia orgánica pueda seguir teniendo lugar, es necesario disponer de cofactores oxidados (NAD) que sean capaces de captar equivalentes de reducción y pasar a la forma reducida (NADH+H+). En la respiración, la regeneración de cofactores oxidados (NAD) se realiza mediante fosforilación oxidativa (donde también se genera ATP con la ATPasa)
Los 12 metabolitos precursores son necesarios para que el organismo pueda sintetizar todos los componentes celulares
Si usan proteínas, mediante proteasas extracelulares por metabolismo se generan aas que, por desaminación oxidativa o transaminación, pierden el grupo amonio y generan metabolitos precursores. Por su parte, en el caso de los lípidos intervienen las lipasas, las cuales pasan los ácidos grasos y el glicerol a gliceraldehído-3P y de ahí se sigue hasta obtener energía por distintas rutas
¿Cómo obtiene la energía los quimioheterótrofos que fermentan?
En fermentadores, el ácido pirúvico que se genera en la glucólisis no se puede oxidar más (es una oxidación incompleta). El propósito de las fermentaciones es regenerar cofactores oxidados (NAD) para seguir con la poca oxidación de materia orgánica y la síntesis de ATP por fosforilación a nivel de sustrato de la glucólisis
El piruvato se reduce a diferentes compuestos, que son los productos de la fermentación. Estos son secretados y a la vez se regeneran los cofactores oxidados (NAD)
Los distintos tipos de fermentación reciben el nombre en función del producto que secretan:
a) La fermentación láctica tiene dos versiones, pero en ambas, el producto es el ácido láctico (este es responsable de la disminución del pH del medio, de la coagulación de la cuajada y de la producción de queso y yogur)
b) En la fermentación alcohólica los productos son alcohol y CO2
c) En la fermentación propiónica, el producto es el ácido propiónico, además de ácido acético
d) En la fermentación butírica, el producto es el ácido butírico (para la producción de explosivos)
e) La fermentación ácido-mixta es la responsable de la disminución del pH por los productos ácidos
f) En la fermentación butanodiólica el producto es el butanodiol. El H y CO2 son subproductos de las fermentaciones que, al ser gases, hacen parecer que el cultivo está en ebullición
¿Cómo se degrada la glucosa hasta ácido pirúvico?
El primer paso para degradar glucosa es transformarla en ácido pirúvico (etapa común en quimioheterótrofos, tanto en respiradores como en fermentadores). A partir del ácido pirúvico, los respiradores continúan en el ciclo de Krebs (donde se produce la oxidación completa a CO2), mientras que los fermentadores siguen diferentes rutas (el ácido pirúvico se reduce excretando productos al medio, siendo dicha reducción necesario para la oxidación de los cofactores reducidos para que vuelvan a estar listos para oxidar la materia orgánica y generen así ATP)
La degradación de glucosa a ácido pirúvico se produce por diferentes vías: glucólisis, ruta de Embden-Meyerhof o vía de la fructosa 1,6 bifosfato (vía más común de degradación de la glucosa a ácido pirúvico) o la ruta de Entner-Doudoroff (es una alternativa en unas pocas bacterias como Pseudomonas, pero no se dan simultáneamente en un organismo). A parte, se encuentra la ruta de las pentosas fosfato, simultánea a las dos rutas anteriores. Esta última ruta es cíclica y produce pentosas intermediarias, por ejemplo, para la síntesis de ácidos nucleicos
¿Qué es la glucólisis/ruta de Embden-Meyerhof/vía de la frucosa-1,6-bifosfato)
Esta ruta, que tiene lugar en el citoplasma tanto de procariotas como de eucariotas, se divide en dos fases:
1) Fase preparatoria: la glucosa se fosforila a glucosa 6P, con isomerización a fructosa 6P y una segunda fosforilación a fructosa-1,6-diP. Esta última reacción está catalizada por la fosfofructoquinasa y constituye uno de los principales puntos de control de esta ruta. Dicha enzima se inhibe cuando hay ATP en exceso en la célula para que no se siga degradando glucosa (también participa en el efecto Pasteur). La fructosa-1,6-diP, por la acción de la aldolasa, se escinde dando lugar a dihidroxiacetona fosfato (DHAP) y gliceraldehído 3P (GP) en equilibrio, Estos productos son interconvertibles por isomerasa
2) Fase de conservación de la energía. Se regeneran los 2 ATP consumidos y se generan 2 más. El gliceraldehído 3P pasa a ácido 1,3-difosfoglicérico y se generan cofactores reducidos (NADH+H+). El enlace del P es rico en energía y al escindirse y formarse el ácido 3-fosfoglicérico (precursor de aas), se genera ATP. Como partimos de dos GP, se generan 2 ATP. Este pasa a ácido-2-fosfoglicérico y este a ácido fosfoenolpirúvico y por la piruvato quinasa se transforma en ácido pirúvico con formación de 2 ATP
Por cada molécula de glucosa se generan 2 ATP totales/molécula de GP (como de cada glucosa se han generado 2 de GP hay 4 ATP, pero en la fase preparatoria se consumen 2 ATP, por lo que el balance global es de 2 ATP por fosforilación a nivel de sustrato), 2 NADH+H+, y 2 ácidos pirúvicos¿
¿Qué es la ruta de Entner-Doudoroff/vía de ácido KDPG: ácido 2-ceto-3-desoxi-6-fosfoglucónico?
En esta vía, la glucosa se transforma en glucosa 6P, y luego en ácido 6-fosfoglucónico (esta es la misma transformación que ocurre en la ruta de las pentosas fosfato). En este paso se obtiene 1 NADPH+H+. Hasta aquí es similar a la de las pentosas fosfato. A continuación, el 6-fosfogluconato se transforma en 2-ceto-3-desoxi-6fosfogluconato 8KDPG). La enzima clave es la KDPG aldolasa, que escinde ese compuesto de 6 carbonos en ácido pirúvico y en GP. Este último prosigue la vía glucolítica hasta la formación de ácido pirúvico (usando la misma fase de conservación de la energía que en la glucólisis). En este caso, una de las dos moléculas de GP ya está oxidada a ácido pirúvico y, por tanto, los microorganismos que realizan esta vía obtienen una molécula de ATP (por fosforilación a nivel de sustrato, ya que la fase de conservación de la energía se produce solo a partir de una molécula de GP y no de 2 como en la glucólisis) menos que la vía glucolítica
Se obtienen 2 ácidos pirúvicos, dos cofactores reducidos/equivalentes de reducción (un NADH y un NADPH) y un ATP
Esta ruta la realizan las Pseudomonas (microorganismo respirador), Zymomonas (organismos estrictamente fermentadores), bacterias del suelo como Rhizobium, Agrobacterium y Azotobacter, y gram- como E. coli, además de gram+ como Enterococcus faecalis
Esta ruta y la glucolítica son, por tanto, comunes a organismos respiradores y fermentadores
¿Qué es la ruta de las pentosas fosfato o del fosfogluconato?
Es una ruta anfibólica, es decir, tiene funciones de catabolismo y anabolismo y se da simultáneamente a las dos anteriores (glucólisis y KDPG). Su función es producir intermedios necesarios para el anabolismo y producción de ATP y es muy importante en microorganismos que crecen usando como fuente de carbono compuestos de 4 ó 5 carbonos (pentosas, las cuales queremos convertir en hexosas). Se producirá una gran cantidad de equivalentes de reducción necesarios para el anabolismo, y sobre todo muchos metabolitos precursores
El principio de esta ruta es el mismo que la de la KDPG. A partir de la glucosa 6P se forma ácido 6-fosfoglucónico, con la síntesis de 3 cofactores reducidos (NADPH+H+). Este se transforma en ribulosa 5P generando 3 NADPH+H+. Estas dos primeras etapas son catabólicas, pero a partir de ahí hay muchos intermediarios del anabolismo. A partir de la ribulosa 5P se forma la ribosa 5P, que se utiliza también para la síntesis de nucleótidos utilizando el NADPH+H+ y transformándose en desoxirribosa y xilulosa 5P
Por acción de diferentes enzimas como transcetolasas y transaldolasa, estos 2 compuestos de 5 carbonos serán transformados en compuestos de 3 y 7 carbonos o de 4 y 6 (se produce una reestructuración de los carbonos). Así se generarán esqueletos hidrocarbonados con diferente número de átomos de carbono. La eritrosa 4P es precursora de diversos aminoácidos aromáticos. Por acción de otra tanscetolasa se genera fructosa 6P y GP
El balance global de esta ruta es que por cada 3 moléculas de glucosa 6P se genera 1 de GP, 2 de fructosa 6P, 6 NADPH+H+ y se eliminan 3 CO2, por descarboxilación en la segunda reacción
Hay que tener en cuenta que cada metabolito sintetizado puede usarse en diferentes rutas
Ejemplos en los que se da esta ruta son E. coli, Bacillus subtilis, Leuconostoc mesenteroides, Enterococcus faecalis…
Son rutas reversibles
¿Cómo utilizan los microorganismos quimioheterótrofos el ácido pirúvico?
a) En la respiración, para oxidar el ácido pirúvico a CO2 es necesario un aceptor exógeno de electrones para así regenerar los cofactores oxidados y seguir oxidando la materia orgánica. Estos cofactores se regeneran en la fosforilación oxidativa y la degradación de la materia orgánica continúa con el ciclo de Krebs
b) En la fermentación, el ácido pirúvico se reduce y se obtienen como productos finales compuestos orgánicos, ácidos, alcoholes o incluso CO2 en algunas fermentaciones. El aceptor final de electrones es un compuesto endógeno que se secreta al medio. Este aceptor tiene un menor potencial de reducción que el oxígeno, lo que provoca una consiguiente menor oxidación de la materia orgánica y, por lo tanto, una menor obtención de energía que en la respiración
¿Cómo es la respiración en quimioheterótrofos?
En microorganismos eucariotas, la respiración ocurre en la matriz mitocondrial y la cadena de transporte de electrones se encuentra en la membrana interna mitocondrial
En procariotas la respiración ocurre en el citoplasma y la cadena de transporte se encuentra en la membrana citoplasmática
Se necesita un aceptor final de los electrones:
a) En el caso de la respiración aerobia, este aceptor es el oxígeno, que es el compuesto con el mayor potencial positivo de reducción. Se obtiene mayor obtención de energía que cuando el aceptor de electrones es otro compuesto diferente
b) En el caso de la respiración anaerobia, por su parte, el aceptor se trata de otro compuesto, siempre oxidado. Puede ser inorgánico como el ion férrico, el sulfato, el ion manganato… u orgánico, como el dimetil sulfóxido, la n-trimetilamina, el ácido fumárico…
En la respiración aerobia, usando la glucosa como donador de electrones, como el oxígeno tiene el mayor potencial de reducción conseguimos la mayor diferencia de potenciales de reducción, y por tanto, el máximo de energía posible
En la respiración anaerobia, los aceptores de electrones (diferentes al oxígeno) están en lugares intermedios de la torre de potenciales de reducción. Por lo tanto, al existir una menor diferencia de potenciales se generará menos energía. Esto significa que los microorganismos que puedan respirar aeróbica y anaeróbicamente (facultativos), en presencia de oxígeno, lo harán aeróbicamente
Obtención de energía de mayor a menor: respiración aerobia > respiración anaerobia > fermentación
¿Cómo es la respiración aerobia con el CIclo de Krebs/de los ácidos tricarboxílicos (TCA)/del ácido cítrico?
La primera fase es la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico hasta acetil-CoA. Se pierde un CO2 y se obtiene un cofactor reducido (NADH+H+)
En la primera etapa verdadera del ciclo de Krebs los dos carbonos del acetil-CoA se incorporan en el ciclo añadiéndose al ácido oxalacético par formar ácido cítrico. Este pasa a ácido isocítrico por reestructuración. Después hay otra descarboxilación oxidativa (llevada a cabo por la piruvato deshidrogenasa) para formar alfa-cetoglutarato y una tercera descarboxilación oxidativa en la que además, se añade CoA para formar succinil-CoA. En esta etapa ya se han perdido los 3 carbonos que procedían de la glucosa. En el siguiente paso se rompe el enlace tioéster (que forma el CoA con el succinil, enlace de gran energía) para formar ATP. Se produce ácido succínico que, posteriormente, se oxida a ácido fumárico y luego a ácido málico, que son regenerados en la fosforilación oxidativa a la vez que se obtiene ATP
Por cada molécula de acetil-CoA que entra se liberan 2 CO2, 3 NADH+H+, FADH2 y ATP
Si el ciclo de Krebs se llevara a cabo solamente para la síntesis de energía, no se podría derivar oxalacetato y alfa-cetoglutarato a la síntesis de aa. Es por ello que existen las llamadas rutas anapleróticas. Con esto se asegura siempre la presencia de ácido oxalacético. Son especialmente importantes en microorganismos que fermentan, porque no tienen el ciclo de Krebs completo
¿Qué son las rutas anapleróticas del ciclo de Krebs?
Tienen como función proporcionar precursores para la síntesis de otros compuestos del metabolismo. Existen 3 reacciones que constituyen estas rutas, a parte del ciclo del ácido glioxílico:
a) La carboxilación del ácido fosfoenolpirúvico por la ácido fosfoenolpirúvico carboxilasa para producir ácido oxalacético
b) Carboxilación del ácido pirúvico por la ácido pirúvico carboxilasa para producir ácido oxalacético
c) Carboxilación del ácido pirúvico (reducción) por la enzima del málico para obtener ácido málico, que posteriormente pasa a ácido oxalacético
d) El ciclo del ácido glioxílico. Las 2 descarboxilaciones que ocurrían en el ciclo de Krebs a partir del ácido isocítrico hasta succinil-CoA se obvian en esta ruta. En este caso, esos 2 carbonos no se pierden en la restitución hasta ácido oxalacético. Interviene la enzima ácido isocítrico liasa para producir ácido glioxílico y la ácido málico sintasa para producir el ácido málico. Esta ruta es muy importante en microorganismos que crecen usando como fuente de carbono compuestos de 2C, porque, en este caso, no están disponibles el ácido fosfoenolpirúvico ni el pirúvico para sufrir descarboxilaciones y restituir ese ácido oxalacético
Estas rutas se llevan a cabo si nuestra prioridad es que haya ácido oxalacético disponible porque haya mucho que se esté derivando a la síntesis de aa
¿Cuánta energía se obtiene de la oxidación de una molécula de glucosa durante la respiración aerobia?
En la respiración, los cofactores reducidos se reoxidan cediendo los electrones a la cadena de transporte electrónico y obteniendo, además, ATP adicional. Se trata de una secuencia de transportadores que, además de transportar electrones, bombean protones en contra de gradiente generando así un gradiente electroquímico
Las cadenas de transporte electrónico pueden ser muy variables, de forma que los microorganismos pueden utilizar diferentes donadores de electrones o incluso diferentes aceptores de electrones
Cada NADH da 3 ATP al ser oxidado y cada FADH2 da 2 ATP. Esta diferencia se debe a que el FADH2 tiene un potencial de reducción más positivo que el NADH y se obtiene menos energía. Además, el FADH2 cede sus electrones a un componente de la cadena de electrones posterior
En procariotas, de la glucólisis obtenemos 2 NADH, 2 ATP y 2 ácido pirúvico, los cuales, por la acción de la piruvato deshidrogenasa, pasan a 2 NADH, 2 CO2 y 2 acetil-CoA. Finalmente, estos acetil-CoA pasan a 6 NADH+H+, 2 FADH2, 2 ATP y 4 CO2. El balance será de 1 glucosa para dar 10 NADH. 2 FADH2, 4 ATP y 6 CO2, liberado al medio
En e balance global de procariotas, se obtienen 38 ATP
En eucariotas, se obtiene 36 ATP, 2 menos que en procariotas. Esto se debe a que los 2 NADH obtenidos de la glucólisis se han sintetizado en el citoplasma y la cadena de transporte de electrones se encuentra en la membrana interna mitocondrial. Estos tienen que pasar al interior de la mitocondria por la lanzadera del glicerol 3P, donde se transforman en FADH2
Por la oxidación de cada molécula de NADH se sintetizan 3 ATP, en la oxidación de cada molécula de FADH2 se sintetizan 2 ATP. En esas cadenas de transporte, se va liberando paulatinamente la energía que se emplea en bombear protones en contra de gradiente y los electrones finalmente son cedidos a un aceptor final de electrones, que en este caso es el oxígeno (se trata de una respiración aerobia).
Estas cadenas de transporte de electrones que oxidan el NADH o el FADH2 son diferentes, es decir, tienen distintos transportadores, aunque una misma bacteria puede tener diferentes tipos de cadenas, no solamente respecto al compuesto que dona electrones sino también respecto al aceptor
¿Qué son las oxidaciones incompletas?
Son llevadas a cabo por bacterias del ácido acético (Acetobacter aceti y Gluconobacter oxydans) que se encarga de la síntesis del vinagre. Estas son bacterias gram-, aerobias estrictas (siempre llevan a cabo un metabolismo respiratorio aerobio, con oxígeno como aceptor final de electrones) y que aguantan condiciones muy ácidas (pH inferior a 5), puesto que están produciendo ácido acético
Debido a que son aerobias estrictas, se mantienen en la superficie de los líquidos que van a usar como fuente de energía sintetizando un telo de celulosa pura. Esta es una celulosa libre de otros compuestos como hemicelulosa, pectina o lignina que normalmente acompañan a la celulosa vegetal
La síntesis de ácido acético no es una fermentación (presentan fosforilación oxidativa) sino una respiración aerobia
Los microorganismos usan alcoholes (o a veces azúcares) y los oxidan hasta ácidos (ácido acético) o compuestos orgánicos, que son secretados al medio directamente, ya que no pueden seguir oxidándolo. Por eso a veces se confunden las fermentaciones, pero es una respiración, porque los electrones que dona el alcohol son cedidos a proteínas de membrana (alcohol deshidrogenasa y acetaldehído deshidrogenasa) y pasan a una cadena de transporte de electrones al final de la cual existe un aceptor externo de los electrones (oxígeno)
En la producción de vinagre se utilizan productos de la fermentación de otros microorganismos, como el etanol de la fermentación alcohólica. En la primera reacción, el etanol es oxidado a acetaldehído y éste se oxida a ácido acético mediante la acción de la alcohol deshidrogenasa y la acetaldehído deshidrogenasa, y se generan cofactores reducidos que van a ser transferidos a una enzima que cede esos electrones al oxígeno. En ese impulso de los electrones se crea un gradiente electroquímico a través de la membrana que permite que la ATPasa genere energía. Puesto que la cadena de transporte electrónico es corta, el crecimiento de estas bacterias es lento y necesita mucha aireación
Estos microorganismos no solamente son importantes industrialmente para la producción de vinagre, sino que también realizan la conversión de sorbitol (alcohol secundario) a sorbosa (cetona), etapa clave para la obtención de vitamina C. Esta etapa tiene que estar realizada por microorganismos, ya que de otra manera es demasiado costoso (por la bioconversión). Se trata de una etapa estereoespecífica, llevada a cabo por las bacterias del ácido acético. Es una oxidación completa desde un alcohol hasta otro compuesto completamente diferente
Generalmente, lo que se hace es tener las células Acetobacter aceti o Gluconobacter oxydans inmovilizadas sobre virutas de madera (generación de Frings). Se deja pasar a través de ellas el etanol. Al estar en la superficie de la madera, pueden captar gran cantidad de aire
Cabe destacar que las cualidades organolépticas del vinagre son debidas a muchos otros compuestos productos del metabolismo de estos microorganismos
¿Cómo es la respiración anaerobia?
Estos microorganismos oxidan la materia orgánica y usan compuestos oxidados como aceptores finales de electrones. El salto de potenciales que realizan los microorganismos anaerobios es menor que el de los aerobios, por lo tanto, obtienen menos energía. El salto depende del aceptor final de electrones que se utilice
a) Los organismos anaerobios facultativos usan respiración aerobia si hay oxígeno disponible. Si no hay, usan respiración anaerobia. Por ejemplo, la respiración de ácido fumárico en bacterias succinogénicas o la respiración de nitrato
b) Los anaerobios estrictos solamente pueden realizar la respiración anaerobia. Por ejemplo, la respiración de sulfatos (bacterias sulfatorreductoras), las arqueas metanógenas (que producen metano como producto de reacción) o la respiración de carbonatos de bacterias acetogénicas
¿Qué es la reducción desasimiladora y la asimiladora?
a) La reducción desasimiladora o desasimilatoria es aquella en la que el compuesto actúa como aceptor final de electrones en la respiración anaerobia, acoplado a la síntesis de ATP. Ese compuesto reducido se excreta al medio en grandes cantidades. Se da en procariota
b) La reducción asimiladora es aquella en la que los compuestos reducidos se incorporan a los compuestos de la célula, por tanto, el producto de reducción no se secreta. Esta reducción no va acoplada a la síntesis de ATP y se genera menor cantidad de producto reducido (solo el necesario). Se da tanto en condiciones aerobias como anaerobias, y tanto en procariotas como en eucariotas
