Nutrición y metabolismo bacteriano
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                        Nutrición y metabolismo bacteriano.Nutrientes bacterianos.
Las bacterias tienen que mantener su estructura organizada en un medio que tiende al caos y adaptan el medio para crecer en tamaño y nº. Para ello toman nutrientes del medio que, mediante rutas metabólicas, les proporcionan la energía necesaria. La mayoría de las bacterias obtienen su energía por oxidación obtienen el C de los nutrientes del entorno. Clasificación de los tipos de nutrición:
La mayoría de las bacterias son quimioorganotras. La oxidación desde el P.V. químico consiste en una liberación de e-, que van hacia otra molécula denominada aceptor de e-. Según cual sea el aceptor la oxidación puede ser:
El metabolismo. El metabolismo es un conjunto de reacciones químicas espontáneas que acontecen a una velocidad compatible con la vida. Estas reacciones por si solas serían muy lentas (y por lo tanto incompatibles con la vida), para acelerarlas se utilizan enzimas, que son biocatalizadores. Estos enzimas pueden ser:
El metabolismo se divide en dos grandes ramas:
Transporte de nutrientes.
El fosfoenolpiruvato (PEP) fosforila al enzima 1, que a su vez para el gupo fosfato a una proteína rica en histidina y esta fosforila el enzima 2. El enzima 2 fosforilado activa a una permeasa específica para un azúcar, que puede ser para el paso de manitol, glucosa o manosa. Ej.: la glucosa se une al receptor y, entonces, ya se le puede unir el enzima 2 fosforilado, que pierde el grupo fosfato y se libera energía, que posibilita el paso de glucosa al interior de la célula. El fosfato liberado se une a la glucosa mientras esta está entrando en la célula (no cuando ya está dentro, lo que entra el glucosa-P). De esta forma lo que hay en el interior de la célula no es glucosa, sino glucosa-P. Es un mecanismo relativamente lento pero funciona incondiciones de baja energía, ya que se forman azúcares-P, que son los que intervienen en las reacciones del metabolismo. El enzima 2 también tiene otro efecto: cuando está fosforilado activa a la adenilato ciclasa, por lo que aumenta la concentración de AMPc intracelular. Los mecanismos vistos hasta ahora permiten el paso de sustancias más o menos pequeñas. Para que puedan pasar moléculas más grandes éstas se tienen que romper en moléculas más sencillas mediante exoenzimas para que puedan ser transportadas. Estos mecanismos en las bacterias gram (+) se centran en la m.p., donde se forman poros a través de los cuales pasan las sustancias. En las gram (-) el transporte se produce también en la membrana externa, donde también es fundamentalmente a través de poros (porinas), que forman canales iónicos de unos 600 Da. En las gram (-) el transporte activo se produce a través del enlace de las permeasas de la m.p. y la membrana externa. Esta unión se produce en el espacio periplásmico, donde hay gran cantidad de proteínas que unen sustancias que han atravesado el poro de la membrana externa y las llevan a permeasas de la m.p. Metabolismo heterótofo quimioorganotrofo. La gran mayoría de las bacterias de interés sanitario son quimiorganotrofas heterótrofas y el metabolito fundamental es la glucosa.
2 Glucosa + 2ADP + 2NAD + 2Pi → 2 Pirúvico + 2ATP + 3NADH + 2H+ + 2H2O Cuando la materia se oxida los e-, hasta que llegan al aceptor, se acumulan en la célula de forma temporal en los nicotín nucleótidos: NAD y NADP. Los dos son intercambiables de forma general, pero la mayoría de los que se almacenan en NAD son para la obtención de ATP y la mayoría de los que se almacenan en NADP son para la obtención de biomasa. Existe una modificación de esta ruta que es la de Embdern- Doudoroff: Glucosa + ADP + 2NAD + Pi → 2Pirúvico + ATP + 2NADH + 2H+ + H2O Quien sigue E. Meyerhoff o sigue E. Douduroff y viceversa. Ambas están orientadas hacia la obtención de energía.
Glucosa + 12NADP + 6H2O → 6CO2 + 12NADPH + 12H+ Lo que se obtiene es NADPH, por lo que esta ruta está orientada hacia la reducción de sustancias oxidadas en las reacciones biosintéticas. Esta vía permite la obtención de azúcares de 4, 5, 6 y 7 át.C. Las bacterias podrían vivir eternamente consumiendo glucosa por la vía de Meyerhoff si no fuera porque se quedarían sin NAD o explotarían por la acumulación de NADH, por eso las bacterias necesitan un mecanismo para recuperar el NAD (volver a oxidar el NADH + H+ en NAD). Si tiene que volver a oxidarse, tiene que devolver los e- que captó. Para ello hay dos posibilidades:
Cuando existen moléculas que captan los e- hablamos de respiración. Si la molécula es O2 hablamos de respiración aerobia y si no es O2, anaerobia. Hay bacterias que no tienen moléculas externas para donar los e-. La solución es hacer reacciones red-ox entre un át.C de la glucosa y otro át.C de la glucosa (de un át a otro de la molécula que se está oxidando. Es lo que se conoce como fermentación, y es siempre anaerobia. En las rutas de fermentación la glucosa genera pirúvico y NAD(P)H + H+. Este pirúvico puede oxidarse y el NADH + H+ cede sus e- al pirúvico y se regenera el NAD. Hay muchas reacciones de recuperación de NAD, que es una característica importante en la taxonomía de las bacterias y muy importante a nivel sanitario. Ej.: la producción de ác. Láctico es un mecanismo patogénico generador de infección. Como tiene que oxidar un átomo y reducir otro, no puede llegar a oxidar todos sus átomos, por lo que no hay síntesis neta de NADH y ATP a partir del pirúvico.
Las bacterias que utilizan aceptor de e- pueden oxidar lo 6 át.C de la glucosa a CO2. Las bacterias respiratorias utilizan el ciclo de Krebs. Por cada molécula de pirúvico que entra en le ciclo de Krebs se obtienen: 3CO2 , 4 NADH + H+, 2FADH2, 2GTP. En caso de que la bacteria obtuviera el pirúvico por la vía de Meyerhoff, para saber el total obtenido por una molécula de glucosa, habría que multiplicar todo esto por dos, ya que se obtienen 2 moléculas de pirúvico, y habría que sumarle 2NADH + H+ que se obtuvieron en la oxidación de la glucosa.
El problema es que aún tengo más NADH + H+ acumulado (10 por molécula de glucosa), por lo que para recuperar NAD se utiliza la fosforilación oxidativa o transporte de e-. En la m.p. existe un conjunto de proteínas que actúan como transportadores de e- por lo que el NADH + H+ se une al 1º transportador en forma oxidada y le cede sus e-, de forma que lo reduce. Este paso de e- está asociado a la salida de un H+, por lo que salen al exterior celular 2H+. El transportador-1 reduce al transportador-2 y así sucesivamente hasta llegar al transportador-n, que cede sus e- a ½ O2 (en caso de que sea respiración aerobia) y se forma H2O, que se expulsa al exterior celular. Sin embargo la obtención de agua nos es directa. Utiliza como intermediario en ión superóxido y se obtiene H2O2, sobre la que actúa una catalasa (o peroxidasa) y se transforma en H2O. Que el agua oxigenada y el ión superóxido sean intermediarios obliga a las bacterias a tener mecanismos de protección: la superóxido dismutasa y la catalasa o peroxidasa. Hay otro acumulador temporal de e-: FAD, aunque este tiene un potencial de oxidación menor, por lo que el que capta los e- tiene que tener una gran afinidad por estos. Como el NADH tienen un potencial de oxidación mayor, tiene poca afinidad por los e- y los cede con más facilidad que el FAD. 1NADH + H+ bombea 3 pares de H+ 1FADH2 bombea 2 pares de H+ En el caso de la respiración anaerobia el aceptor se encuentra más a la izq. del O2, por lo que se genera sólo dos pares de H+ en el caso del NADH y un par en el caso del FADH2. Cuando los H+ vuelven a entrar al interior celular para equilibrar el gradiente lo hacen mediante el complejo proteico ATP fosforilasa, que genera 1ATP por cada para de e- (H+) que reentra en la célula. EXAMEN: ¿Cuántos ATPs genera una molécula de glucosa por respiración aerobia?
Se oxida el C  con producción de NADH + H+ y liberación de acetil-CoA. Los ác. Grasos van perdiendo pares de át. C del extremo acilo, liberados en forma de acetil-CoA (en vez de pirúvico) con producción de NADH y FADH2 por cada par.
El ciclo de Krebs permite tanto la obtención de energía como de biomasa. Las bacterias utilizan un sistema que permite la entrada de Ac-CoA en el ciclo de Krebs para la obtención de de sustancias: el ciclo del glioxilato, que es como un atajo del ciclo de Krebs. Permite la entrada de át.C al ciclo de Krebs en forma de Ac-CoA. Metabolitos intermediarios.
¿Qué sucede con las bacterias fermentadoras, que no pueden introducir el pirúvico en le ciclo de Krebs? Utilizan el ciclo de Krebs dividido: Pirúvico → cetoglutarato (oxidación) Pirúvico → succinico (reducción) La oxidación neta es cero, pero se producen igualmente los principales metabolitos. Reacciones de crecimiento. Rutas biosintéticas:
La G6P por la ruta glucolítica se transforma en PEP, que da lugar a pirúvico. La glucogenogénesis sería al revés, pero hay un paso que no es reversible: el paso de piruvato a PEP, ya que la energía que se libera en la rotura del ATP no es suficiente. Para solucionarlo se hace un rodeo mediante la incorporación de CO2 para obtener ác. Oxalacético (con consumo de un ATP) y este ác. Oxalacético se oxida para la formación de PEP?????
Es como la β-oxidación pero al revés: el crecimiento de la cadena carbonada se hace por pares, que se incorporan en forma de acetil-CoA.
¿Cómo incorporan los grupos amino? Por α- transaminación: un aa cede su grupo amino a un α-cetoácido de tal manera que se intercambian los grupos amino y cetónico. Ej: El problema es que así la síntesis neta de aa es cero. Para ello hay otra reacción: la aminación reductora: un α-cetoácido (normalmente α-cetoglutárico o OAA) se reduce con cesión de e- por parte del transportador temporal NADP, y esta reducción incorpora un grupo amino y pierde una molécula de agua, transformándose en el ácido correspondiente. Cuando la concentración de amonio es baja se hace un rodeo para aprovecharlo. Esquema Un α-cetoglutárico con un ión amonio da un glutamato.
Es más bien una ruta de mantenimiento. Es la inversa de la aminación reductora: un ác. Glutámico pierde el grupo NH2 y se genera NADPH +H+ y el α-cetoácido correspondiente. Funciona sobre todo con glutámico, OAA y aspártico. La desaminación permite la entrada de los aa en el ciclo de Krebs para la obtención de energía, lo cual permite que las bacterias puedan vivir con aa como fuente de energía sin necesidad de azúcar.
Las bases púricas se cierran sobre un anillo de ribosa preformado al que se le unen grupos carbonados. Para las bases pirimidínicas: se ribosila una pirimidina ya preformada. * La mutilación de ambas bases utiliza como transportador del grupo metilo el Fe y el ác. Fólico.
Los azúcares polimerizan formando enlaces glucosídicos entre grupos alcohólicos que son (1,6) y (1,4,), según la situación del grupo OH. Pueden ser α o β según los azúcares estén del mismo lado o invertidos. La energía naecesaria para el enlace glucosídico está dada por la rotura de los UDP. Los propios monómeros tienen la energía necesaria porque muchas veces se forman los polímeros en el exterior celular. Esquema.
Tiene que seguir la secuencia de nucleótidos preformada almacenada en el ADN ADN Replicación Retrotranscripción Transcripción ARN Traducción Proteínas ? La retrotranscripción la realizan los retrovirus, el virus de la hepatitis B y también lo utilizan las células eucariotas. Cuando la información fluye de proteínas a proteínas: priones
El molde para la síntesis de ARN es una cadena de ARN y el enzima encargado en una ARN polimerasa. Para que el enzima se pueda unir al ADN este tiene que estar desenrollado. Para que se abra el ADN son necesarias proteínas que eliminen el superenrollamiento, lo giren y lo estabilicen: topoisomerasas, girasas y proteínas estabilizadoras. Después se une la ARNp al promotor de la transcripción del ADN. Una vez unido, el enzima empieza a captar nucleótidos y unirlos al extremo 3’, los empareja con la base del ADN que tiene delante y así hasta llegar a una señal de finalización de la transcripción, que se corresponde con secuencias de ADN donde es complementario y forma un enlace sobre si mismo. *
Las cadenas sólo pueden actuar de molde para la síntesis de una cadena nueva si están abiertas, por lo que son necesarias topoisomerasas, girasas y proteínas estabilizadoras, que forman una horquilla en la que las cadenas de ADN están separadas. Las cadenas son antiparalelas, por lo que cuando se empieza a replicar: Dibujo La burbuja se va desplazando y hay una cadena líder que sigue el desplazamiento de la horquilla y otra cadena retardada que se forma en sentido contrario. Esta última cadena se va formando a fragmentos denominados fragmentos de Okazaki. Como la replicación del ADN es bidireccional todo el ADN tiene fragmentos de Okazaki. La cadena líder no tiene problema, da toda la vuelta al cromosoma (el ADN es una molécula circular), llega a donde empezó y cierra. Sin embargo en la cadena retardada hay que unir todos los fragmentos de Okazaki y la ADNp no puede unir un desoxinucleótido a otro para formar un didesoxinucleótido, lo que sí puede hacer es unir a una cadena de 12-15 nucleótidos un desoxinucleótido, por eso por cada fragmento de Okazaki una ARNp forma una cadena y luego la ADNp sigue uniendo desoxinucleótidos. Como la ADNp no puede unir el ADN a la cadena de ARN siguiente, tiene que actuar un enzima extra: la exoribonucleasa 5’  3’, que cuando llega al extremo 5’ del ARN, rompe la cadena de ribonucleótidos y une el desoxiribonucleótido. Por último una ADN ligasa cierra la cadena.La replicación del ADN es uno de los mecanismos biológicos más fiables. La fiabilidad se basa en:
 Formación de la pared bacteriana. Se inicia en el citosol a partir de la fructosa-6-P, que reacciona con el UDP y forma UDP-NAM, que reacciona con el ác. PEP. El PEP es el sustrato con el enlace más energético que hay en la célula, más incluso que el ATP. A continuación se unen 5aa (3aa y 2D-Ala) que formarán el tetrapéptido. Se sintetiza entonces el UDP-NAM-pp (pp= pentapéptido), que se acerca a la cara interna de la m.p. e interacciona con el fosfato bactroprenol, que solubiliza los azúcares para que puedan atravesar la membrana. En el proceso se libera 1 UDP y se forma el NAMpp-PP-bactroprenol (PP= pirofosfato). Este en la cara interna de la m.p. se une a una UDP-NAG y se forma una unidad de mureína: NAG-NAMpp unido por PP al bactroprenol. En las gram (+) se une un n-acilARNt (se unen aa). Durante esta reacción el bactroprenol pasa la mureína de la cara interna de la m.p. a la cara externa. En realidad toda la pared bacteriana es una única molécula de mureína. Son segmentos más o menos largos de NAM unidos por puentes cruzados entre los tetrapéptidos. Para poder crecer la bacteria la pared se tiene que romper, pero para evitar la lisis osmótica no se abre de golpe, sino que se va cortando periódicamente por determinados puntos mediante autolisinas, en ese punto se añade el NAM recién formado y se vuelve a formar el enlace. El PP-bactroprenol queda en la m.p. La fosfatasa libera el Pi y se recupera el bactroprenol para que se pueda iniciar el ciclo y añadir otra unidad de mureína. (UNDP: undecaprenol= bactroprenol) Ahora se tienen que formar los puentes cruzados mediante traspeptidación. La rutura del enlace D-Ala del pentapéptido con liberación de un D-Ala permite el enlace del D-Ala que queda unido al grupo NH2 del otro tetrapéptido. La energía necesaria para formar el enlace fuera de la membrana está incluida en la propia molécula que sale de la célula, porque el ATP no puede salir de la célula. (El enlace D-D tiene mayor energía que el enlace D-L) Regulación del metabolismo. Hay rutas que son anfibólicas, es decir, sirven tanto para el catabolismo como para el anabolismo. Ej: ciclo de Krebs. Las bacterias se alimentan de nutrientes simples que vienen del exterior y que atraviesan directamente la membrana y también de moléculas más complejas que por sí solas no son capaces de atravesar la membrana porque son muy grandes y son necesarias exoenzimas, que rompen las rompen en otras más pequeñas y así pueden atravesar la membrana mediante un mecanismo de transporte para participar en las reacciones de mantenimiento y generar energía (ATP), poder reductor (NADH) y los 12 anabolitos intermediarios, que inician las reacciones de crecimiento para originar azúcares, ác. Grasos, aa y nucleótidos. Estos por polimerización formarán polisacáridos, mureína, lípidos, proteínas y ác. Nucleicos, que se ensamblarán entre ellos para formar la pared bacteriana, etc.  El metabolismo tiene que estar muy bien regulado para sacar el máximo partido de los nutrientes. La regulación es enzimática. Hay dos tipos de enzimas: constitutivas e inducidas, y ambas son necesarias
Una proteína alostérica es aquella que puede tener conformaciones espaciales alternativas según esté unida o no a algo. El alosterismo puede aumentar o disminuir la actividad enzimática. Ej: si hay poca actividad glucolítica no funciona la lactato deshidrogenesa y funcionan otras rutas: fermentación.
Regulación enzimática. Retroinhibición secuencial. Cuando se acumula P1 no puede parar la producción de C porque este sigue haciendo falta para P2. P1 lo que hace es inhibir el primer enzima de su ruta. Si se acumula P1 y P2 se acumularía también C y este inhibiría la transformación de A en B. Este mecanismo es poco eficaz, por lo que hay sistemas más eficaces: Retoinhibición concertada. P1 bloquea el primer enzima específico de su ruta y P2 la suya, pero si se acumulan los dos, la unión de P1 y P2 inhibe ya el enzima de A sin que tenga que acumularse C. Enzimas isofuncionales. Genéticamente es más caro porque necesita más enzimas. El paso de A a B está regulados por dos enzimas E1 y E2. La afinidad de ambos enzimas no es la misma, el 80% de  está catalizado por E1 y el 20% por E2. El mecanismo funciona como dos retroinhibiciones secuenciales: se acumula P1 y se inhibe sólo el 80% del paso de y el otro 20% se sigue generando para formar P2.Operones. Es el mecanismo fundamental de regulación de los enzimas inducibles. Sólo existe en procariotas porque el ADN procariota es policistrónico. Un operón es un conjunto de genes funcionalmente relacionados que se transcriben en un mismo ARN. El operador (O) se encuentra entre la región promotora y la primera secuencia codificada y es una secuencia de ác. Nucleico que es reconocida específicamente por una proteína reguladora. Dibujo El ARN no tiene operón. Funcionamiento por inducción y por represión.
Atenuación. Es un mecanismo de modificación de la transcripción que sólo puede operar en procariotas y sólo puede funcionar en operones que regulan la biosíntesis de aa. Cuando hay aa no interesa su síntesis y no se transcribe. Independientemente que exista una regulación por atenuación, a la vez puede existir una regulación por operador. COMPLETAR POR FOTOCOPIAS (al final del tema) Regulación de la síntesis de proteínas ribosómicas. Se basa en que existe una proteína represora capaz de unir ác. Nucleico, en este caso ARN en vez de ADN. Esa proteína represora es capaz de unirse tanto al ARNr como al ARNm de las proteínas ribosómicas. De qué depende? De la abundancia relativa de esos dos ARN. Si aumentan los niveles de ARNr libre a la célula, le hacen falta proteínas ribosómicas para ensamblar ribosomas. Como hay mucho ARNr, la proteína represora se une al ARNr. Qué está libre? ARNm, que es el que se transcribe y permite la síntesis de proteínas ribosómicas que se unen el ARNr. entonces, la concentración de ARNr libre empieza a bajar y aumenta la de ARNm, por lo que el represor se une al ARNm y no hay síntesis de proteínas ribosómicas. Regulación genética por variación de fase. La variación de fase consiste en alteraciones estructurales pero reversibles del ác. Nucleico. Ejemplo: Existen dos tipos de flagelina: H1 y H2, codificadas en zonas distintas del cromosoma. Un operón contiene dos genes: un gen de la H2 y un gen represor. Este operón tiene un promotor pero que está puesto del revés, por lo que no es reconocido por la ARNp y no se transcriben ni el gen de H2 ni el represor. El gen que se transcribe es el de la flagelina 1. Cada 1000 divisiones este promotor se invierte y se coloca en el sentido correcto, por lo que se transcribe el gen de la flagelina 2 y también el gen represor, que inhibe la síntesis de flagelina 1 y así domina la flagelina 2. Otra vez al las 1000 divisiones se vuelve a invertir el promotor porque tiene en sus dos extremos regiones repetidas. Complementarias. Redes globales de regulación (regulones). Regulones: sistema de regulación que regula varios operones a la vez.
Represión por catabolito. Bacterias capaces de utilizar otro azúcar distinto a la glucosa, que tienen un operón lactosa y le ponemos en un medio lactosa y glucosa, la bacteria utiliza glucosa y no expresa los genes de los enzimas necesarios para la metabolización de la lactosa. Existe una proteína activada por catabolito que cuando se une a AMPc se activa, se une al promotor y empieza la transcripción. El enzima 2 encargado de al translocación de grupos, cuando no hay glucosa está más tiempo fosforilada, por lo que aumenta el AMPc y mucho AMPc es indicativo de pocos nutrientes. La bacteria si tiene glucosa bloquea todos los sistemas de metabolismo de nutrientes alternativos y si no hay glucosa, los activa. |
de la ARNp, que es el que reconoce el promotor. Si la bacteria tiene varios factores 
