1

METABOLISMO ENERGÉTICO BACTERIANO

2

Estadíos del catabolismo

Alteromonas, Shewanella, GeobacterFe3+ Fe2+

Arqueas metanogénicasCO2 CH4

Enterobacteriasfumarato succinato

Sulfatorreductoras (Desulfovibrio, Desulfotomaculum) Anaeróbicos estrictosSO4

2- S0 SH2

EnterobacteriasNO3- NO2

-

Pseudomonas, Bacillus (desnitrificación)NO3- NO2

- N2

Procariotas (Ejemplos)Aceptor prod. reducido

RESPIRACIONES ANAEROBIAS

3

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 nitratoLos productos intermediarios se acumulan cuando el NO3

- está en exceso y la concentración de dadores de H limita la transformación.

La óxido nitroso-reductasa es una enzima de localización periplásmica. La óxido nítrico-reductasa es un complejo de citocromo b+c integral de membrana.

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

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

Cadena de transporte de electrones de Paracoccus denitrificansEl 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.

4

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).

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

5

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

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

6

Fermentación heteroláctica

Fosfocetolasa

acetato, acetona, butirato, butanol, etanol, CO2, H2Fermentación aceto-butírica

butilénglicol, CO2Fermentación butilénglicólica

etanol, succinato, acetato, formiato, lactato, CO2, H2Fermentación ácida-mixta

etanol, CO2Fermentación alcohólica

LactatoFermentación láctica

Producto(s)Tipo de fermentación

7

QUIMIOLITOTROFÍA En los quimiolitotrofos, el donador de electrones es una molécula inorgánica reducida. Esta capacidad sólo ha evolucionado en ciertos grupos de procariotasQuimiolitotrofos “típicos”: son por lo general respiradores aerobios

Fijan CO2 por el ciclo de Calvin, disponen de reservas de RuBisCo

respiran NO2- para convertirlo en NO3-Nitrobacter

oxidadoras del nitrito (nítricas)

respiran NH3 para convertirlo en NO2-Nitrosomonas

oxidadoras de amoniaco (nitrosas)

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

del azufre

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

del hierro

(oxidan el H2 hasta H2O) Alcalígeneseutrophus, Pseudomonas facilis, Aquaspirillum autotrophicum, etcNitrobacter

Bacterias del hidrógeno (facultativas)

Nitrificantes

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

8

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)

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.

9

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

10

Arqueas metanogénicas

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

4H2 + CO2 CH4 + 2H2O

Fijan autotróficamente el carbónico, aunque por rutas especiales diferentes al ciclo de Calvin.

Bacterias anaeróbicas quimiolitotróficas

Paracoccus denitrificansResp de nitratos, desnitrificación

H2 + NO3- N2

Desulfuromonasacetoxidans

Resp del azufre, sulfurogénicas

H2 + S0 SH2

Desulfovibriodesulfuricans, Desulfobacteriumautotrophicum

Resp. de sulfatos, sulfurogénicas

H2 + SO4= SH2

Acetobacterium woodiiResp. de carbonatos, acetogénicas

H2 + CO2 CH3-COOH

Methanobacteriumthermoautotrophicum

Resp. de carbonatos, metanogénicas

H2 + CO2 CH4

EspeciesGrupoDador inorg. de e

11

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.

12

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.

13

Estructura de la clorofila

Pigmentos accesorios

14

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 electronesbacterias verdes del azufreheliobacterias

FOTOFOSFORILACIÓN ACÍCLICA

FOTOFOSFORILACIÓN CÍCLICA

Esquema del funcionamiento del fotosistema de la bacteria purpúrea Rhodopseudomonasviridis

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

15

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 CÍCLICA

MK: menaquinonaFd: ferredoxina

FOTOFOSFORILACIÓN CÍCLICA

16

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 bacterioclorofilaoxidada es mediante un aceptor exógeno orgánico (son fotoheterotrofos, y parece que no son capaces de fijar CO2).

Fotofosforilación en Cianobacterias

17

Carácterísticas de los sistemas fotosintéticos microbianos

Bacteriorrodopsina, incluye la molécula retinal fotosensitiva (en púrpura) y los aainvolucrados 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)

18

Rendimiento de ATP por oxidación aeróbica de la glucosa en eucariotas