METABOLISMO ENERGÉTICO BACTERIANO

Metabolismo

Reacciones de mantenimiento (catabolismo):

Energía

Poder reductor

Precursores metabólicos

Anabolismo: biosíntesis

Producción de ATP

Fosforilación a nivel de sustrato (fermentaciones)

Fosforilación oxidativa (respiraciones)

Fotofosforilación (fotosíntesis)

Reacciones redox exergónicas

G0'= - n·F·E0'F = cte. de Faraday = 96,6 kJ·volt—1·equivalentes--1

E0' es la diferencia entre los potenciales de reducción del donador y del aceptor

Torre de electrones

Transportadores de electrones

NAD

FAD

Coenzima Q

Hem

Tipos de metabolismos energéticosBacterias fotótrofas Bacterias quimiótrofas

• C Esqueleto macromoléculas (normalmente también aportan O e H, salvo el CO2).

• Probablemente todos los organismos puedan fijar CO2 en pequeñas cantidades

• Se reserva la denominación de Autótrofos para los organismos que usan CO2 como fuente única o principal de C (se requiere gran cantidad de E para esto).

• La mayoría de los autótrofos son fotosintéticos, algunos oxidan moléculas inorgánicas para obtener E.

• Heterótrofos usan moléculas orgánicas preformadas y reducidas para obtener C y E.

Fuentes de carbono, electrones y energía

• Fuente de carbonoHeterótrofos: compuestos orgánicosAutótrofos: C02

• Fuente de energía: Fotótrofos: luz Quimiótrofos: oxidación de compuestos orgánicos o

inorgánicos• Fuente de electronesLitótrofos: compuestos inorgánicos reducidosOrganótrofos: compuestos orgánicos

PrincipalesTipos Nutricionales de Microorganismos

Fuente de C, E y e Microorg represent

Cadenas de transportadores de electrones y fuerza protón motriz

• NADH deshidrogenasas, unidas a la cara interna de la membrana. Aceptan átomos de H a partir del NADH, y se los ceden a las flavoproteínas

• Flavoproteínas (Fp, un tipo de riboflainas), dotadas de grupos FAD o FMN. Pueden acepar átomos de H, pero a su vez ceden electrones.

• Proteínas no hémicas de Fe-S (Fe/S proteínas). Algunas poseen agrupamientos de Fe2S2 (como la ferredoxina) y otras Fe4S4. Transportan solamente electrones.

• Quinonas. Son moléculas muy hidrofóbicas, inmersas en la membrana, capaces de moverse dentro de ella. Sirven como aceptores de átomos de H, pero sólo ceden electrones. En bacterias podemos encontrar dos principales tipos de quinonas: ubiquinona (UQ)menaquinona (MQ), más frecuente en bacterias Gram-positivas.

• Citocromos (proteínas hémicas con Fe quelado). Sufren oxidación y reducción por pérdida y ganancia de un electrón cada vez, a través del Fe del centro de la molécula. Los citocromos son de varias clases, según el tipo de grupo hemo (ej. tipo a, b, c, etc), y a veces forman complejos fuertes con otros citocromos (ej., cit bc1) o con Fe/S-proteínas.

Cadenas de transportadores de electrones y fuerza protón motriz

• F0 complejo integral de membrana, trasloca protones. La subunidad a es la encargada de canalizar los protones a través de la membrana, mientras que las dos subunidades b sobresalen hacia el lado citoplásmico, interaccionando con la F1. Las 12 subunidades de c se disponen formando una especie de cilindro transmembranoso, capaz de rotar en ambos sentidos.

• F1 constituye la porción intracitoplasmática, dotada de los sitios catalíticos. La parte más saliente de F1 consta de 3 subunidades alternando con 3 subunidades . La traslocación de unos 3 o 4 protones a través de F0 está acoplada, por medio de grandes cambios conformacionales, a la síntesis de una molécula de ATP mecanismo de catálisis rotacional: El que los 3-4 protones entren por F0 (probablemente a través de la proteína a) provoca la rotación del cilindro de c12, lo que supone una torsión que se transmite a la F1 a través de las proteínas . lo que a su vez provoca un cambio conformacional en las subunidades .El cambio conformacional en las subunidades permite que a ellas se una ADP y Pi. El trabajo realizado por el sistema se usa para producir entonces el ATP, volviendo las a su configuración original, preparadas para un nuevo ciclo de síntesis de ATP.La función de b2 es equivalente a la del estator del motor: sirven para evitar que las y se muevan cuando se produce la torsión de .

SideróforosFerricromo: hodroxamato cíclico producido por hongos

Enterobactin: catecolato cíclico producido por E. coli

El ión Fe+++ forma complejo con tres grupos sideróforos

Aquaquelina: porción proteica de unión a Fe

QUIMIOLITOTROFÍA En los quimiolitotrofos, el donador de electrones es una molécula inorgánica

reducida. Esta capacidad sólo ha evolucionado en ciertos grupos de procariotas Quimiolitotrofos “típicos”: son por lo general respiradores aerobios Fijan CO2 por el ciclo de Calvin, disponen de reservas de RuBisCo

Bacterias del hidrógeno (facultativas) (oxidan el H2 hasta H2O) Alcalígenes eutrophus, Pseudomonas facilis, Aquaspirillum autotrophicum, etc Nitrobacter

del hierro (pasan Fe2+ a férrico, Fe3+) Thiobacillus ferrooxidans, lixiviación

del azufre de sulfuros (S2-) y azufre elemental (S0) ácido sulfúrico (SO4H2) Thiobacillus thiooxidans, Sulfolobus acidocaldarius

oxidadoras de amoniaco (nitrosas) respiran NH3 para convertirlo en NO2- Nitrosomonas

oxidadoras del nitrito (nítricas) respiran NO2- para convertirlo en NO3- Nitrobacter

Nitrifican

tes

FUENTE DE ENERGIA Y NUTRICIÓN

Las Bacterias del azufre toman compuestos de este como el sulfuro de hidrógeno, azufre elemental y el tiosulfato, como fuente de energía.

Las Bacterias del hierro son un grupo especializado de Litótrofos que son capaces de usar el hierro reducido como única fuente de energía.

CARACTERÍSTICAS

Las bacterias oxidantes del azufre y de sulfuros suelen ser litotróficas y producen sulfato.

Con excepción de sulfolobus los litótrofos sulfurosos restantes son: Eubacterias y Fologenéticamente pertenecen a las bacterias púrpuras.

CARACTERÍSTICAS

Pueden distinguirse dos amplias clases ecológicas :Las que viven en pH neutroLas que viven en pH ácido

Las bacterias oxidantes del azufre también son capaces de catalizar la oxidación del sulfuro.

CARACTERÍSTICAS

La mayor parte de las bacterias oxidantes del hierro también oxidan el azufre y son acidofílicas obligadas

Las ferruginosas transforman compuestos solubles de hierro en compuestos insolubles

PRINCIPALES GÉNEROS

Del azufre: Thiobacillus

Thiosphera Thiomicrospira Thermotrix Beggiatoa Sulfolobus

PRINCIPALES GÉNEROS

Del hierro: A pH neutro:

Gallionella ferruginea Sphaeritillus natans Leptothrix ochracea

A pH ácido Thiobacillus ferroxidans

HABITATS DE ALGUNAS BACTERIAS

El Thiobacillus feroxidans vive en un ambiente en que el ácido sulfúrico es el ácido dominante y están presentes grandes cantidades de sulfato.

HABITATS DE ALGUNAS BACTERIAS

Bacterias oxidantes del azufre como las Beggiatoa se encuentran en la naturaleza en habitats ricos en H2S

Lixiviación de minerales

Obtención de Zn, Co, Ni, Mo, Sb, Co, Pb etc, a partir de minerales de baja riqueza (sulfuros metálicos) para transformarlos en los SO4

= metálicos solubles en agua por acción de bacterias oxidadoras de hierro y azufre.

A cielo abierto, el agua se filtra a través de gruesas capas de material rocoso que contiene el mineral desmenuzado.

Se recoge la solución que contiene las sales sulfatadas y a partir de allí se obtienen los metales por procesos de concentración y precipitación.

La disolución de los sulfuros tiene lugar por varios procesos: oxidación bacteriana de los compuestos reducidos de azufre o azufre metálico a ácido sulfúrico y del hierro ferroso a férrico, como así también por oxidación química, que requiere sulfúrico o hierro.

Las bacterias aseguran suministros de sulfúrico y la regeneración del hierro férrico.

HABITATS DE ALGUNAS BACTERIAS

Organismos termófilos extremos como el sulfolobus se desarrolla en hábitats volcánicos a temperaturas sobre 90ºC y a valores de pH de 1-5 a condiciones anaerobias.

Yellowstone, Sulfolobus

Mecanismo de generación de ATP en quimiolitotrofos

Los electrones extraídos del donador exógeno (inorgánico) pasan a una cadena transportadora de electrones hasta un aceptor final (que suele ser el oxígeno en los litotrofos típicos, y que es nitrito en los anammox), generando una fuerza protón-motriz que se transforma en ATP por ATP-sintasas. 

A excepción del H2, los demás donadores inorgánicos de electrones tienen un potencial de reducción E0’ menor que el del NADH, por lo que la oxidación de estos donadores inorgánicos sólo puede generar energía, pero no poder reductor de modo directo. Para obtener poder reductor emplean transporte inverso de electrones

Flujo de electrones en la cadena de transporte de Nitrobacter. A la derecha: La fuerza protón motriz se produce cuando los electrones son transportados desde el NO2 hasta el O2 y se acopla con la generación de ATP. A la izquierda: parte de la fpm se utiliza para forzar electrones a fluir desde el nitrito hasta el NAD+. Se utilizan para ello el citocromo c y cuatro complejos más: 1: NADH-Ubiquinona oxidoreductasa, 2: ubiquinol-citc oxidoreductasa, 3:nitrito oxidasa y 4: citocromo aa3 oxidasa.

Flujo inverso de electrones (genera poder reductor)

oxidación anaerobia del amoniaco (ANAMOX)

Proceso que acopla en anaerobiosis la oxidación del amoniaco con la reducción de los nitritos, produciendo nitrógeno molecular y agua (NH4

+ + NO2- N2 + 2 H2O)

Brocadia anammoxidans, del phylum de los Planctomicetos (compartim con membrana; pared proteica).

Autótrofas, aunque carecen de ciclo de Calvin, aún se desconoce el mecanismo de fijación del CO2.

Generación de energía por oxidación del azufrea) Oxidación directa de sulfito

b) Formación de adenosina 5-fosfosulfato (APS)

CTE y fosforilación oxidativa

CTE y fpmProducción de ATP por fosforilación a nivel de sustrato

Arqueas metanogénicas

Capaces de obtener energía acoplando la oxidación del hidrógeno molecular con el uso de CO2 como aceptor de electrones

4H2 + CO2 CH4 + 2H2OFijan autotróficamente el carbónico, aunque por rutas

especiales diferentes al ciclo de Calvin.

PEP Gucosa-Pa: Sulfolobus y bacterias verdes del azufre

Bacterias anaeróbicas quimiolitotróficas

Dador inorg. de e Grupo Especies

H2 + CO2 CH4 Resp. de carbonatos, metanogénicas

Methanobacterium thermoautotrophicum

H2 + CO2 CH3-COOH Resp. de carbonatos, acetogénicas

Acetobacterium woodii

H2 + SO4= SH2 Resp. de sulfatos,

sulfurogénicasDesulfovibrio desulfuricans, Desulfobacterium autotrophicum

H2 + S0 SH2 Resp del azufre, sulfurogénicas

Desulfuromonas acetoxidans

H2 + NO3- N2 Resp de nitratos,

desnitrificaciónParacoccus denitrificans

FOTOFOSFORILACIÓN

• Produce también un gradiente electroquímico de protones a ambos lado de una membrana, el cual a su vez alimenta ATP-sintasas. Estrictamente hablando, la fotosíntesis alude a la fotoautotrofía, es decir, la combinación de fototrofía o captación de esa energía lumínica (obtenida en la “fase luminosa”) con su empleo para fijar el CO2 (autotrofía) hasta material celular (“fase oscura”).

• Existen procariotas fotótrofos que captan la energía de la luz, pero emplean materia orgánica como fuente de carbono, por lo que se denominan fotoheterotrofos.

COMPONENTES DEL APARATO FOTOSINTÉTICO

Fotosistemas: catalizan la conversión de la energía de la luz, capturada en moléculas excitadas de clorofila o bacterioclorofila en una forma útil de energía. Están constituidos por complejo antena (con pigmentos captadores de luz) y centro de reacción (con las clorofilas o bacterioclorofilas fotoactivas). Los centros de reacción suelen estar situados dentro de estructuras membranosas (tilacoides en cianobacterias, cromatóforos o invaginaciones de MC en bacterias púrpuras o la propia membrana citoplásmica en bacterias anoxigénicas verdes y heliobacterias).

Cadenas transportadoras de electrones: situadas en membranas están ligadas de forma estrecha al centro de reacción, crean una fuerza protón-motriz.

Principales moléculas implicadas

Clorofilas y bacterioclorofilas (pueden formar parte tanto de los pigmentos antena como de los centros de reacción)

Carotenoides. Forman parte del complejo antena, función principal de protección.

Ficobiliproteínas (complejo antena en Cianobacterias) Feofitinas y bacteriofeofitinas. Son similares a las

respectivas (bacterio)clorofilas, excepto que no están queladas con Mg++. Actúan como aceptores inmediatos del electrón que pierde cada (bacterio)clorofila del centro de reacción.

Estructura de la clorofila

Pigmentos accesorios

El flujo de electrones sirve para generar f.p.m. y por lo tanto ATP, y equivalentes de reducción [NAD(P)H+H+] que hacen falta para la fijación del CO2. Esos electrones deben de proceder de una fuente exógena para poder regenerar la forma basal del pigmento fotoactivo.

bacterias purpúreas (o rojas) -transporte inverso de electrones bacterias verdes del azufre heliobacterias

  FOTOFOSFORILACIÓN ACÍCLICA

Fotofosforilación en Cianobacterias

  FOTOFOSFORILACIÓN CÍCLICA

Esquema del funcionamiento del fotosistema de la bacteria purpúrea Rhodopseudomonas viridis

Los dadores externos No regeneran la bacterioclorofila, la producción de equiv de reducción no va ligada a fase luminosa

Fijan CO2 por Ciclo de Calvin

Chlorobium limicola, bacteria verde del azufreTanto la producción de equivalentes de reducción como la fotofosforilación son resultado de la fase luminosa (el aceptor estable de e, FeS, tiene potencial suficientemetne electronegativo para refucir NAD+).

Fijación de CO2 por ciclo reductivo de ácidos tricarboxílicos

  FOTOFOSFORILACIÓN ACÍCLICA

MK: menaquinonaFd: ferredoxina

  FOTOFOSFORILACIÓN CÍCLICA

Heliobacterias

• Las heliobacterias (bacterias esporulantes fototrofas) al igual que las bacterias verdes, tienen como primer aceptor estable de electrones una Fe/S proteína con potencial redox suficientemente bajo (DE0' = -0.5 V) como para reducir NAD+. Por lo tanto, su poder reductor deriva igualmente de la reacción luminosa. La regeneración de la bacterioclorofila oxidada es mediante un aceptor exógeno orgánico (son fotoheterotrofos, y parece que no son capaces de fijar CO2).

Carácterísticas de los sistemas fotosintéticos microbianos

Bacteriorrodopsina, incluye la molécula retinal fotosensitiva (en púrpura) y los aa involucrados en el transporte iónico, bombeo de H+ (flechas: igual dirección, números: igual secuencia)

Halobacterium salinarium

Capacidad de síntesis de ATP mediada por la luz, pero sin implicación de clorofilas ni fijación de CO2. Cuando estas bacterias se encuentran en condiciones de baja aireación (bajas tensiones de O2), sintetizan una cromoproteína especial llamada bacteriorrodopsina, que forma “parches” de color púrpura en sus membranas citoplásmicas.

Retinal (el mismo de la rodopsina retiniana de los vertebrados), es un carotenoide C20 que puede absorber la luz y catalizar la transferencia de protones a través de la membrana. Se encuentra unido como una base de Schiff a una lisina de la bacteriopsina (porción proteica)

Heterotrofía

Estadíos del catabolismo

NADH deshidrogenasas cara interna de MC. Aceptan átomos de H a partir del NADH, y se los ceden a las flavoproteínasFlavoproteínas (Fp, un tipo de riboflainas), dotadas de grupos FAD o FMN. Pueden acepar átomos de H, pero a su vez ceden electrones.Proteínas no hémicas de Fe-S (Fe/S proteínas). Algunas poseen agrupamientos de Fe2S2 (como la ferredoxina) y otras Fe4S4. Transportan solamente electrones.Quinonas, muy hidrofóbicas, inmersas en la membrana, capaces de moverse dentro de ella. Sirven como aceptores de átomos de H, pero sólo ceden electrones. En bacterias podemos encontrar dos principales tipos de quinonas: ubiquinona (UQ)menaquinona (MQ), más frecuente en bacterias Gram-positivas.Citocromos (proteínas hémicas con Fe quelado). Sufren oxidación y reducción por pérdida y ganancia de un electrón cada vez, a través del Fe del centro de la molécula. Los citocromos son de varias clases, según el tipo de grupo hemo (ej. tipo a, b, c, etc), y a veces forman complejos fuertes con otros citocromos (ej., cit bc1) o con Fe/S-proteínas.

Componentes de las cadenas de transporte respiratorio

Cadenas respiratorias

Ej:• Cuando Azotobacter (fijador aerobio de N2) crece fijando

nitrógeno molecular, usa una ramificación que gasta muchísimo oxígeno como aceptor final (aunque el rendimiento en ATP es menor); con ello logra evitar que el oxígeno pase al citoplasma, con lo que protege a la nitrogenasa de la inactivación por oxígeno.

Ramificaciones (a nivel de citocromos terminales)

Flexibilidad en la transferencia de electrones

P. ej., si E. coli dispone de oxígeno lo usará como aceptor final de electrones, pero dependiendo de su concentración recurrirá a una u otra rama. (A su vez, esto puede estar relacionado con la fase de crecimiento: en la fase exponencial, cuando hay todavía suficiente nivel de O2, se usa una rama, mientras que en fase estacionaria, cuando el nivel de O2 ha bajado, se usa la otra).El mismo E. coli y otras bacterias anaerobias facultativas, en un ambiente sin oxígeno pero con presencia de nitratos puede usar estos aceptores alternativos con las correspondientes variantes en los citocromos terminales.

Cadenas respiratorias

Aceptor prod. reducido

Procariotas (Ejemplos)

NO3- NO2

- N2 Pseudomonas, Bacillus (desnitrificación)

NO3- NO2

- Enterobacterias

SO42- S0 SH2

Sulfatorreductoras (Desulfovibrio, Desulfotomaculum) Anaeróbicos estrictos

fumarato succinato Enterobacterias

CO2 CH4 Arqueas metanogénicas

Fe3+ Fe2+ Alteromonas, Shewanella, Geobacter

RESPIRACIONES ANAEROBIAS

El uso de nitratos, sulfatos y CO2 como aceptores finales de electrones se denomina metabolismo disimilativo (o desasimilativo) para distinguirlo del asimilativo (nutricional). El producto reducido se excreta al ambiente de la bacteria.

El uso disimilativo de nitrato se llama desnitrificación NO3

- NO2- (nitrito) NO (óxido nítrico) N2O (óx. nitroso) N2

Las enzimas que catalizan esta ruta son reprimidas por el oxígeno molecular y se inducen (en ausencia de oxígeno) por el nitrato

Los productos intermediarios se acumulan cuando el NO3- está en exceso y la

concentración de dadores de H limita la transformación.

Nitrato hasta nitrito: se lleva a cabo por la nitrato-reductasa disimilatoria (semejante al citocromo terminal, citocromo-oxidasa) de cadenas que usan oxígeno molecular como aceptor. Es de localización intramembranosa.

En las bacterias Gram-negativas la nitrito-reductasa es de localización periplásmica. Las nitrito-reductasas de Pseudomonas constan de citocromos c+d1.

La óxido nítrico-reductasa es un complejo de citocromo b+c integral de membrana.

La óxido nitroso-reductasa es una enzima de localización periplásmica.

Cadena de transporte de electrones de Paracoccus denitrificans El nitrato es reducido a N2 por la acción colectiva de 4 reductasa que reciben electrones de la CoQ y elcitocromo c. FP: flavoproteínas; MD: metanol deshidrogenasa; Nar: nitrato reductasa; Nir: nitrito reductasa; Nor: oxido nítrico reductasa; Nos: oxido nitroso reductasaLa cadena de transporte de electrones aeróbica es similar a la de mitocondrias.

            El uso disimilatorio del sulfato: sulfatorredutoras (Desulfovibrio, Desulfotomaculum). Para que el sulfato (SO42-) pueda recibir los electrones, primero se tiene que “activar” con ATP (mediante la ATP-sulfurilasa), formándose la adenosina-fosfo-sulfato (APS). La parte sulfato de la APS recibe dos primeros electrones y se reduce (por la APS-reductasa) hasta sulfito (SO32-), con liberación de AMP. Luego el sulfito es reducido (aceptando otros seis electrones) hasta sulfuro (S2-) mediante la sulfito-reductasa. La mayoría de sulfatorreductoras son quimiorganotrofos, pero algunos pueden usar también H2 como donador de electrones (quimiolitotrofos).

Otros aceptores inorgánicos de e

• El manganeso mangánico (Mn4+) puede ser reducido por algunas bacterias, como la ya citada Shewanella putrefaciens cuando crecen respirando acetato y otros sustratos orgánicos. 

• El clorato (ClO3-)• El selenato (SeO42-) se puede reducir a selenito (SeO32-) y

posteriormente a selenio metálico (Se0). Se ha aprovechado esta reacción para descontaminar aguas que llevaban estos compuestos tóxicos (biorremedio).

• El arseniato (AsO42-) es un compuesto muy tóxico, y puede ser reducido junto con el sulfato por la bacteria sulfatorreductora Desulfotomaculum, formándose un complejo mineral de arsénico y sulfuro (trisulfuro de arsenio, As2S3), que precipita. Este ejemplo de biomineralización se está intentando aprovechar para detoxificar suelos y aguas contaminados.

Respiración aeróbica

Cadena de transporte de electrones aeróbica de Paracoccus denitrificans

Glucólisis

Transcetolasa

Transaldolasa

Vía de las pentosas Funciones catabólicas y anabólicas: NADPH como dador de e en biosíntesisEritrosa 4P para síntesis de aa aromáticos y vit B6Ribosa 5P componente de ácidos nucleicosProducción de ATP

Vía de Entner-Doudoroff

La mayoría de las bacterias presentan vía glucolítica y vía de las pentosas. En algunas la vía glucolítica puede ser sustituida por la vía de ED (por ausencia de fosfofructokinasa).

Pseudomonas, Rhizobium, Azotobacter, Agrobacterium, E. faecalis

Ciclo de Krebs o TCAComplejo piruvato deshidrogenasa

Fermentación• Uso de piruvato o derivados como aceptores internos de e para reoxidar NADH.• Proceso anaeróbico en el que el sustrato se oxida sólo parcialmente y se produce

fosforilación a nivel de sustrato.

1-Lactobacillus, Streptoccocus, Bacillus2- Levaduras, Zymomonas3- Propionibacterium4-Enterobacter, Serratia, Bacillus5- Bacterias entéricas: E. coli, Proteus, Salmonella6- Clostridium

Fermentación heteroláctica

Fosfocetolasa

Tipo de fermentación Producto(s)

Fermentación láctica Lactato

Fermentación alcohólica etanol, CO2

Fermentación ácida-mixta etanol, succinato, acetato, formiato, lactato, CO2, H2

Fermentación butilénglicólica butilénglicol, CO2

Fermentación aceto-butírica acetato, acetona, butirato, butanol, etanol, CO2, H2

Utilización del citrato por O. oeni

Rendimiento de ATP por oxidación aeróbica de la glucosa en eucariotas

Ciclo del Azufre

Ciclo del Nitrógeno

Ciclo del Carbono