Lección 5. Catabolismo PDF

Preview

Summary

Download Lección 5. Catabolismo PDF

Description

LECC lismo b cteri LECC CCIÓ IÓ IÓN N5 5.. Ca Catab tab tabo olism baacteri erian an ano o_________________________________________ La mayoría son organotrofas. También hay quimiorganotrofas. Nos centraremos en las quimiorganotrofas, que utilizan materia orgánica. Diferenciamos el catabolismo en dos bloques: -

Catabolismo periférico. Las flechas amarillas que convergen en el central. En las bacterias hay una gran versatilidad en cuanto a los tipos de catabolismo periféricos hay.

-

Catabolismo central. En gris y está incompleto. Son las reacciones de mantenimiento. Es dónde se producirá la energía en forma de ATP y en forma de poder reductor y también se producirán los 12 precursores.

 

El tipo de medio también influye en el tipo de catabolismo. Dependiendo de los bloques básicos. Los tipos de aceptores de electrones. Creemos que existen muchos aceptores de electrones. Hay bacterias que tienen varios pero no significa que lo tengan todos. También serán sensibles a la fuente de carbono y energía.



En las imágenes el ciclo de Krebs está puesto al revés. El catabolismo central es similar en las diferentes bacterias, y está formado por:

1. Glucólisis o la vía de Etner – Doudoroff (por ejemplo en Pseudomonas y Zymomonas). 2. Vía de las pentosas fosfato. 3. Ciclo de Krebs (CAT). 4. Reacción de enlace (glucólisis y ciclo de Krebs, conversión del piruvato en acetil CoA, catalizada por la PDH – piruvato deshidrogenasa). Para formar los precursores habrá de hacer el proceso al revés, desde el ciclo de Krebs hacia la glucólisis.

1

En la glucólisis se forman 6 precursores. La vía de Etner – Doudoroff es menos eficiente porque en vez de generar 2 ATP como en la glucosa, se genera únicamente 1 ATP. En la vía de las pentosas fosfato, se parte de glucosa 6 fosfato, hay dos reducciones, y el producto final son las 3 pentosas que son intercambiables. En la rama no oxidativa, aparece el segundo de los dos precursores que es la eritrosa fosfato. No sale nada de energía, y sale dos de los tres precursores.

Del ciclo de Krebs, en bacterias, la etapa de la isocitrato, no sale NAD reducido sino NADP reducido. Salen 3 precursores: alfa ceto glutarato (precursor del amonio), succinil – coa y el oxalacetato. El último precursor es el acetil – coa.

Las reacciones anapleróticas acompañan al catabolismo central, cuya finalidad es la introducción de precursores y no generan energía. En un sustrato con glucosa. Glucosa  PEP  pyr  acetil coa  CICLO DE KREBS  citrato  alfa cetoglutarato  oxalacetato  citrato. Para que se formen x moléculas de citrato habrá x moléculas de oxalacetato. Una parte de la x se va por el alfa cetoglutarato hacia la biosíntesis. En cada uno de los componentes del ciclo de Krebs ser irán ciertas x para formar los bloques básicos. Salvo en el caso hipotético que una bacteria no haga nada, algo de biosíntesis habrá, y el número de moléculas del ciclo de Krebs se pierden. Hay un drenaje de moléculas. ¿Cómo aumentaremos el número de oxalacetatos? Mediante la reacción anaplerótica: PEP  OAA con la incorporación de CO2 y catalizado mediante la PEP carboxilasa. 2

La excepción de que esto no sucediera es en una bacteria que no realizara nada de biosíntesis.

Cuando ya tenemos los 12 precursores, no pinta el resto del ciclo de Krebs. Se quiere recalcar la aparición de las reacciones anapleróticas. 3 flexibilidades del metabolismo bacteriano: -

Medio más o menos rico  gasto en biosíntesis depende de la riqueza del medio.

-

Las distintas fuentes de carbono y energía distintas van a ser un reflejo de la flexibilidad bacteriana. Veremos cómo adaptan las reacciones anapleróticas. Pueden adaptarse las bacterias a diferentes fuentes de carbono y energía. El mejor de los sustratos es la glucosa. Reacción anaplerótica de fosfoenolpiruvato  oxalacetato. Cuando los sustratos son diferentes, ¿qué sucede? En vez de glucosa por ejemplo tenemos malato. Entrará en ciclo de Krebs gastando energía, da vueltas, se obtendrá poder reductor, coenzimas reducidos, se obtendrán GTP. De esta manera no obtendríamos todos los precursores, solo 4. Por ello, habríamos de remontar todo esto hacia atrás. La A son reacciones anapleróticas. Enzimas málicos para pasar de malato a piruvato. Con el piruvato obtendríamos acetil CoA. Hay otra opción, de malato a oxalacetato y de este a fosfoenolpiruvato. El ir al revés supone un gasto de energía. La finalidad de esto es la obtención de los precursores para poder hacer biosíntesis. Solo nos aparecen en la glucólisis letras C y D, porque son reacciones irreversibles y el resto que no aparecen son reversibles. Para decir que un sustrato es mejor o peor que otro: según el gasto de energía que tiene y el transporte para entrar.

3

Un sustrato aún peor pueden ser: ácidos grasos y acetato. Estos dos pueden formar cada uno de ellos por separado acetil – CoA. No son sustratos PTS, tienen pocos átomos de carbono, y obtienen menos energía. A partir del acetil CoA (2C) y el oxalacetato (4C) se genera citrato (6C)  isocitrato (6C)  actúa una deshidrogenasa, salen dos CO2. Si la fuente de carbono son estos, tenemos que evitar que se dé la reacción del isocitrato, evitando las dos descarboxilaciones. La única manera de asimilación del acetil – CoA es evitando esto. La isocitrato liasa sería una alternativa, porque da lugar a un compuesto de dos átomos de C llamado glioxilato y en otra molécula llamada succinato que tiene 4 C. Del succinato se pasa a succinil coa. El glioxilato se incorpora a partir de una molécula de acetil CoA da lugar al malato. Glioxilato + acetil CoA  malato. A esto se llama el ciclo del glioxilato. En algún caso se puede formar poder reductor (ver caso del esquema anterior).

Tabla. Gasto según el sustrato glucosa y malato. Sin signo es gasto, y con signo es producción. En la columna de producción de enlaces fosfato, hay producción con la glucosa pero hay gasto en el caso del malato. PEP  Pyr (producción de ATP). En la tabla vemos que la glucosa obtiene fosfato a través de la fosforilación a nivel de sustrato, y pueden obtener ATP de esta manera independientemente de la cadena respiratoria. En cambio, con el malato esto no sucede. El malato es un sustrato solo respirable y no también fermentable como la glucosa.

Compuestos químicos oxidables Tenemos dos tipos de compuestos químicos oxidables: inorgánicos (quimiolitotrofos, solo encontrados en bacterias y arqueas) y orgánicos (quimiorganotrofos). Se obtienen coenzimas reducidos y mandan electrones a las cadenas respiratorias que están en las membranas, y estos electrones circulando por las membranas respiratorias, producen la salida de protones al exterior, por lo que se acaba generando un gradiente de protones. La PMF, son las siglas de fuerza protomotriz. Con la oxidación de compuestos químicos obtenemos la fuera protomotriz. Esto lo hacen tanto los inorgánicos como los orgánicos. En bacterias quimiosintéticas, llega la luz, hay electrones que saltan a partir de las clorofilas, y llega a unos elementos transportadores de las membranas fotosintéticas y ser comportarán igual que los electrones en las membranas respiratorias. En esta membrana también hay bobeo de protones al otro lado. Los seres vivos pueden incorporar la energía desde la cadena de transporte o desde la fotosíntesis. Se busca fabricar la fuerza protomotriz para después generar el ATP y otras cosas como la rotación del flagelo y el transporte activo.

4

¿Cómo una bacteria fermentadora como Chlostridium o una bacteria del ácido láctico, fabrican la fuerza protomotriz? ¿Cómo se genera el gradiente de protones? Utilizando la función ATPásica de la ATPasa, bombeando protones al exterior.

Concepto de carga energética  medida de la cantidad de adenilatos que hay en una célula, es decir, de los tipos de ATP, ADP y AMP en la célula. 1

𝐴𝑇𝑃+ 𝐴𝐷𝑃

2 Carga energética (E.C) = 𝐴𝑇𝑃+𝐴𝐷𝑃+𝐴𝑀𝑃

De lo que resulta de la fórmula puede ser o 1 (todo ATP) o 0 (todo AMP). En el caso de E.Coli es de 0.85, entre 0.87 – 0.95, y las bacterias lo mantienen constante. Fase exponencial, estacionaria, muerte. La carga energética se mantiene sea cual sea el medio en la fase exponencial, pero cuando acaba esta fase, intenta mantenerla, pero llega un momento que empieza a bajar. Cuando se alcanza la E.C de 0.5 muere.

La oxidación comporta ganar 0 o perder electrones, y la reducción, perder 0 o ganar protones. Ganar electrones. Con Fe2+  Fe 3+ (liberamos electrones) conseguimos energía, pero no con Fe3+  Fe2+ NO (ganamos electrones). De fumarato  succinato se captan electrones y por tanto, no se gana energía.

Las fuentes de energía son las fuentes de electrones. En la fotosíntesis el que da la energía es la luz, y los electrones los da el agua.

Cadenas de transporte electrónico Complejos ordenados. En la izquierda con un potencial de reducción menor: una deshidrogenasa. El último elemento en llevarse a los electrones, es el oxígeno. 5

Los electrones circulan desde la primera deshidrogenasa hasta la última oxidasa. Hay 3 salidas de protones en la cadena, por tanto, se crea un gradiente de protones. Las salidas ocurren porque varios elementos actúan como bombas de protones. El hecho de coger electrones y dárselos a otro complejo, provoca un cambio conformacional que hace que cojan protones del lado citoplasmático al otro lado. En una respiración aerobia el que se lleva los electrones es el oxígeno y el que los da es el NAD. Suceden estas reacciones: -

NADH2 + ½ O2  NAD+ + H2O Catalizada por NADH2 oxidasas. No se obtiene nada de energía. Hay bacterias que hacen este proceso porque no tienen la cadena de transporte. Como las fermentadoras.

El resto utiliza esta cadena de transporte de electrónico. Por cada NADH2 se obtienen 3 ATP, y por cada FAD se obtienen 2 ATP. Hay 3 bombeos de protones. Para formarse 1 ATP se necesitan almenos 3 protones en la ATP sintasa. Por tanto, almenos tiene que haber 9 protones que hayan salido.

Cadena respiratoria con oxígeno  el NADH da los electrones. 3 bombeos, 3 ATP. Si no hay oxígeno, sino nitrato, se modifican unos componentes. La parte de arriba será lo mismo. Se deja de utilizar el citocromo oxidasa, sintetiza la nitrato reductasa, es la cadena no asimilatoria, y esta nitrato servirá para respirar. Solo habrá dos bombeos en este caso, 2 ATP por cada NADH.

6

¿Por qué se producen 3 bombeos en un caso y 2 en otro? Torre de potenciales de reducción. Los que están más abajo tienen una mayor afinidad, por tanto, el potencial de reducción es mayor, será responsable de oxidar a los compuestos de más arriba. A mayor distancia entre dadores y aceptores, más energía se puede aprovechar, y más probabilidades que uno de los compuestos actúe de bomba. Cuando la E.Coli usa el NAD, llega el oxígeno que se lo lleva, teníamos una gran distancia. Y esto da para 3 bombeos. Pero si se usa el nitrato hay una menor distancia, por tanto, perderemos 1 bombeo.

Variantes de una E.Coli No está completo. Tenemos los 3 bloques de elementos de la membrana. En el bloque 1 encontramos las deshidrogenasas. Estos ceden los electrones al segundo bloque (está la ubiquinona pero otras también), después hay dos posibilidades para baja o alta disponibilidad de oxígeno, en cambio nosotros solo tenemos una opción, ir al oxígeno y ya está. -

Si hay poco oxígeno puede usar nitrato, fumarato (que da succinato), óxido de metilamina, dimetil sulfóxido, ión férrico uno de los más utilizados. Esto solo una especie bacteriana. NO TODAS LAS BACTERIAS TIENEN ESTA ACTIVIDAD. Se han encontrado bacterias gram negativas que tienen un citocromo en la membrana externa que ceden los electrones a componentes del medio extracelular. Esto sería una excepción. ¡Esto en las bacterias que respiran!

La pareja fumarato / succinato puede ser utilizado como un aceptor de electrones, o de dador de electrones. 7

Energética de las reacciones anaerobias La respiración anaerobia es de nitrato, cuando no hay oxígeno y la llevan a cabo bacterias la mayoría de ellas anaerobias como Bacillus, la del dibujo es Pseudomonas. SI HAY OXÍGENO NO HACEN ESTO. Hacen 3 bombeos. Consiguen lo mismo que con el oxígeno. El nitrato pasa a nitrito pero hay más elementos que pasan el nitrito en nitrógeno gas. La distancia entre aceptor y dador ya no será la misma, sino que el nitrato pasa a nitrógeno y esta reacción se encuentra abajo junto con el oxígeno. Permite obtener tanta energía como con el oxígeno. A este proceso se le llama desnitrificación, porque el hábitat donde sucede pasa de tener una forma utilizable de nitrógeno que es el nitrato, se está convirtiendo en algo (N2) que solo hay un grupo capaz de usarlo, las fijadoras de nitrógeno. Gran importancia de la desnitrificación en los hábitats anaeróbicos.

Ejemplo de un catabolismo largo de un tipo de Pseudomonas. Hay numerables compuestos distintos que pueden ser utilizados por esta bacteria. Todo acaba dando catechol. Este forma el piruvato + acetaldehído (pasará a acetil – CoA). El catabolismo periférico de una manera u otra acaba convergiendo en el central. El ejemplo es lo citado anteriormente.

8...