Metabolismo del Carbono

Microorganismos

Fuente de energía

Oxido-reducción

QuimiótrofasLuz

Fotótrofas

Compuestos orgánicosQuimioheterótrofos

Fuente de carbono

Compuestos orgánicosQuimioheterótrofos

CO2

Compuestos orgánicosFotoheterótrofos

CO2

Fotoautótrofos

Compuestos inorgánicosQuimiolitótrofos

Compuestos OrgánicosMixótrofos

CO2

Litoautótrofos

Fuente de carbono

Fuente de carbono

Clasificación

Crecimiento en

compuestos de C1

Muchos procariotes pueden crecer

en compuestos de un carbono

como única fuente de carbono. Los compuestos más comunes son:

•Dióxido de carbono (CO2)

•Metano (CH4)

•Metanol (CH3OH)

•Metilamina (CH3NH2)

Pocos procariotes anaerobios (metanógenos) pueden utilizar el

CO2 como fuente de carbono y también como aceptor de

electrones, reduciendo a metano y produciendo ATP.

Methylococcus capsulatus

Autótrofos

Bacterias púrpura

Cianobacterias

Algas

Bacterias halófilas

Organismos que

emplean el CO2 como

fuente de carbono.

Bacterias quimiolitótrofas

Crecimiento Autotrófico

Ribulosa difosfato carboxilasa (RubisCO). Convierte la

ribulosa 1,5-difosfato en ácido 3-fosfoglicérico.

http://www.efn.uncor.edu/dep/biologia/intrbiol/fotosint.htm

RubisCO

Se encuentra presente en:

•Bacterias púrpura

•Cianobacterias•Algas

•Plantas verdes

•Muchas bacterias Quimiolitótrofas

•Algunas arqueobacterias halófilas e hipertermófilas

Prochlorococcus marinusThiobacillus neapolitanus

•Carboxisomas

Protein Data Bank

Synechococcus sp.

Ciclo de Calvin

http://www.msu.edu/~smithe44/campbell_10.16

Ciclo de Calvin•Carboxilación. La enzima

rubisco cataliza la combinación

de la ribulosa difosfato con el

CO2, formándose un

compuesto intermedio e

inestable (de 6 átomos de

carbono), que se descompone

en dos moléculas de

fosfoglicerato (con 3 átomos).

•Reducción. Mediante la

energía que suministra el ATP y

el poder reductor del NADPH, el

fosfoglicerato se transforma en

gliceraldehído 3-fosfato.

•Recuperación. De cada 6 moléculas de

gliceraldehído 3-fosfato, 5 se transforman en 3

moléculas de ribulosa difosfato (con consumo

de ATP) y la otra se considera el rendimiento

neto del ciclo.

http://recursos.cnice.mec.es/biologia/bachillerato/segundo/biologia/ud04/02_04_04_02_023.html

Ciclo de

Calvin

Emplea el ATP y el poder

reductor para fijar el CO2.

Ciclo de Krebs reverso•Emplea una ferredoxina

reducida

proveniente de

la fotosíntesis.

•Del

oxaloacetato se

asimilan 3

moléculas de CO2 y se

produce

Piruvato que va

a formar parte

del material

celular.

•Hay gasto de

ATP.

Bacterias que realizan el Ciclo

de Krebs reverso•Bacterias verdes del azufre (Chlorobium).

Bacterias Gram negativas que fueron aisladas en

Nueva Zelanda y se desarrollan en aguas termales

con presencia de sulfuros de hidrógeno. C. tepidum,

es el modelo del grupo por su facilidad de cultivo, es

una bacteria que realiza la fotosíntesis anoxigénica,

utiliza H2, Sº y H2S como donadores de electrones

además deposita en el medio gránulos de Sº.

Bacterias que realizan el Ciclo

de Krebs reverso

•Hydrogenobacter sp

Bacterias que oxidan el hidrógeno para obtener energía,

acidófilas y termófilas.

•Desulfobacter sp

Bacteria sulfato reductora, Gram negativa anaerobia estricta, móvil por la

presencia de un flagelo polar, utiliza el

acetato como donador de electrones y

lo oxida a CO2 por el ciclo de Krebs.

Vía del Hidroxipropionato

•Acetil-CoA/propionil-CoA carboxilasa es la enzima clave de la vía.

•Un acetil-CoA y dos moléculas de CO2 son reductivamente convertidas vía 3-hidroxipropionato a succinil-CoA. Este intermediario

es reducido a 4-hidroxibutirato y convertido en dos moléculas de

acetil-CoA por la 4-hidroxibutiril-CoA dehidratasa.

Bacterias que realizan la vía del

Hidroxipropionato•Bacterias verdes no del azufre (Chloroflexus).

Bacteria filamentosa, anoxigénica, no todas

las especies pueden emplear los sulfuros como donador de electrones. Chloroflexus

generalmente es fotoheterótrofo y utiliza H2

y sulfuros como donadores de electrones.

Cuando crece autotróficamente fija CO2

por la vía del hidroxipropionato.

Chloroflexus tiene un crecimiento óptimo entre 50 y 60ºC por lo que se encuentra en

la naturaleza en aguas termales, lagos, ríos y sedimentos, y en ambientes hipersalinos.

Bacterias que realizan la vía del

Hidroxipropionato

•Arqueas hipertermófilas

Se observa la capa

cristalina S y una partícla

viral en la parte superior

derecha. Mixótrofo o

autótrofo, crece

anaeróbicamente en CO2

y Sº y aeróbicamente en

medios orgánicos.

Metallosphaera prunae

Acidianus sp

Sulfolobus sp

Hipertermófila, acidófila,

que posee capa

cristalina S. Fue

encontrada en una

mina de uranio.

Hipertermófila,

acidófila, aerobia,

heterótrofa que

puede emplear el

Sº como fuente de

energía.

Vía Acetil CoA reductiva

•Un CO2 es capturado por

un cofactor especial

(tetrahidrofolato: T ) y reducido a grupo metil.

•La otra el CO2 es reducido

a un grupocarbonil (C=O)

por la monóxido deshidrogenasa.

•El grupo carbonil se une

con el grupo metil para

formar Acetil CoA por el complejo enzimático Acetil CoA sintasa.

•La vía requiere H2 como

donador de electrones.http://lecturer.ukdw.ac.id/dhira/Metabolism/CarbonAssim.html

Vía Acetil CoA reductiva

•Bacterias acetogénicas (Clostridium

thermoaceticum, Acetobacterium woodii).

•Metanogénicas (Methanobacterium

thermoautotrophicum).

•Autótrofas sulfato reductoras

(Desulfobacterium autotrophicum).

Microorganismos Metilótroficos

•Bacterias aerobias que

pueden crecer en

compuestos que no contienen puentes de C-C,

diferentes al CO2.

•Puede fabricar sus propios

compuestos orgánicos empleando como fuente

de carbono dichas

pequeñas moléculas, y

además puede oxidarlas para obtener energía

metabólica.

Methylobacterium oryzae

Microorganismos Metilótroficos

•Monóxido de carbono CO

•Metano (CH4)

•Metanol (CH3OH)

•Formaldehído (HCHO)

•Formato (HCOOH)•Metilamina (CH3NH2)

•Trimetilamina [(CH3)3N]*

•Dimetil éter [(CH3)2O]*

•Dimetil carbonato (CH3OCOOCH3)*

•Dimetil sulfóxido [(CH3)2SO]*

*Compuestos con múltiples carbonos

que no contienen enlaces C-C.

Methylamine-enriched community of Lake Washington sediment featuring Methylotenera cells.

Puede utilizar compuestos como al amonio, etileno, clorometano,

bromometano e hidrocarburos de más carbonos como etano y propano como sustratos oxidables pero no utilizables para crecer.

Clasificación de las bacterias

metilótroficas

Metilótrofos

Obligados Facultativos

Pueden crecer

en cualquier

compuesto

de C1

No pueden crecer en

compuestos con multicarbonos

y pueden crecer en

metanol o metilamina

No pueden crecer en

compuestos con multicarbonos

y pueden crecer en

metanol o metano

Metanótrofos

Bacterias metilótroficasObligadas

No metanótrofas

Facultativas

No pueden crecer en

compuestos con multicarbonos

y pueden crecer en metanol o

metilamina, no en metano.

Pueden crecer en cualquier compuesto de C1

Bacterias aeróbicas Gram

negativas: Methylophilus y

Metanobacillus.

Bacterias Gram positivas y Gram

Negativas: Bacillus, Acetobacter,

Mycobacterium, Arthrobacter,

Hyphomicrobium, Methylobacterium y

Nocardia.

Bacterias metilótroficas•Obligadas

Metanótrofas. No pueden crecer en compuestos con

multicarbonos y pueden crecer en metanol o metano.

Grupo Organismo Formas de reposo

Ciclo del ácido cítrico&

Asimilación de carbono

Fijación de N2

I Methylomonas Quistes Incompleta Ribulosa monofosfato No

I Methylomicrobium No tiene Incompleta Ribulosa monofosfato No

I Methylobacter Quistes Incompleta Ribulosa monofosfato No

I Methylococcus * Quistes Incompleta Ribulosa monofosfato Si

II Methylosinus Exospora Completa Serina Si

II Methylocystis Exospora Completa Serina Si

II Methylocellae Exospora Completa Serina Si

* Contiene las enzimas del ciclo de Calvin.

&Organismos con un ciclo del ácido cítrico incompleto carecen de la enzima alfa-cetoglutarato deshidrogenasa y no pueden oxidar acetato a CO2.

Metanótrofos•Poseen un sistema de enzimas específico, la metano-

monooxigenasa.

•Forman un complejo sistema de membranas internas cuando crecen donde se lleva a cabo la oxidación del metano. Contienen

alta concentración de esteroles.

Methylomonas sp

Tipo I, grupos de

vesículas con forma

de disco distribuidas

por todo el

organismo.

Tipo II, membranas organizadas en la

periferia de la célula.

Methylosinus sp

Oxidación del metano

•Metano-

monooxigenasa.

•Metanol deshidrogenasa.

•Formaldehido

deshidrogenasa.

•Formato

deshidrogenasa.

Vía de la

ribulosa

monofosfato

Metanótrofos Tipo I

Vía de la

Serina

Metanótrofos Tipo II

Bacterias carboxidotróficas

CO + H2O →

CO2 + 2H+ + 2e-

Nature Reviews Microbiology 5, 107-118 (February 2007)

•Enzima monóxido de

carbono

deshidrogenasa.

•CO como donador

de electrones para la

síntesis de ATP.

•Fija el CO2 generado

mediante el Ciclo de Calvin.

Catabolismo de compuestos

orgánicos

Enzimas extracelulares

Las exoenzimas son enzimas producidas por microorganismos y

excretadas al medio ambiente.

Son ampliamente utilizadas en diversos factores industriales. Estas

enzimas son producidas naturalmente por los microorganismos para su sobrevivencia.

Lipasa Celulasa b-galactosidasa

Degradación de polímeros de C

Sustancias Composición Fuentes Enzimas catabólicas

Celulosa Polímero de glucosa

(b-1,4-)

Plantas (hojas, tallos) Celulasa (b-1,4-glucanasas)

Almidón Polímero de glucosa

(a-1,4-)

Plantas (hojas,

semillas)

Amilasa

Glucógeno Polímero de glucosa

(a-1,4- y b-1,6-)

Animales (músculo) Amilasa,

fosforilasa

Laminarina Polímero de glucosa

(b-1,3-)

Algas marina b-1,3-Glucanasa (laminarinasa)

Paramilón Polímero de glucosa

(b-1,3-)

Algas b-1,3-Glucanasa

Agar Polímero de

galactosa y ácido

galacturónico.

Algas rojas Agarasa

Degradación de polímeros de C

Sustancias Composición Fuentes Enzimas

catabólicas

Quitina Polímero de N-

acetilglucosamina (b-1,4)

Hongos (paredes

celulares),

insectos

(exoesqueleto)

Quitinasa

Pectina Polímero de ácido

galacturónico

Pectina (hojas,

semillas)

Pectinasa

(poligalacturonasa

)

Dextrano Polímero de glucosa Cápulas o capas

mucoides

Dextranasa

Xilano Heteropolímero de xilosa y

otros azúcares (b-1,4- y

otros laterares a-1-2 o a-1,3)

Plantas Xilanasa

Utilización de lactosa

•La lactosa puede ser utilizada

por diferentes microorganismos

por dos mecanismos:

•La inducción bajo el control del operón lac para una permeasa y

una b-galactosidasa.

•Sistema PTS con una enzima II específica para lactosa.

Operón lac. Con lactosa (alolactosa)

•En presencia de lactosa

extracelular, bajos niveles de b-galactosidasa que

se encuentra en la célula

convierten lactosa en

alolactosa (grupo galactósido en la

posición 4 en lugar de la

posición 6).

•La alolactosa se une a

la proteína represora y la

desacopla de su lugar en

el operador.

•La ARN polimerasa transcribe los genes para

el trasporte y utilización

de la lactosa.

Operón lac. Efecto de la glucosa

•En un medio sin glucosa pero

con lactosa los niveles de AMPc

son altos. La proteína CRP tiene sitios de unión para el ADN y

para el AMPc. El complejo

AMPc-CAP se une a una zona

cercana al promotor lac, y favorece la unión de la ARN

polimerasa al promotor,

aumentando la transcripción

hasta 50 veces. Se ha

demostrado que el AMPc y la

CAP contribuyen a la iniciación

de la transcripción, ayudando al

reconocimiento del sitio de

iniciación por la ARN polimerasa.

•AMPc

•CRP (Receptora de AMPc o

proteína activadora de catabolitos)

Simporte de lactosa

•Lactose can be transported

into E. coli against a

concentration gradient using

galactoside permease, one

of the proteins encoded bythe lac operon. This protein

uses a proton-motive force to

pump lactose into the cell.

•The proton gradient iscreated by an electron

transport complex in the

membrane which is inhibited

by cyanide, reminiscent of the cytochrome C oxidase

complex in oxphos. http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/ch331/signaltrans/olsignalenergy.html

Crecimiento Heterotrófico

Glucosa

ATP

Glucosa 6P

Fructosa 6P

NADPH

Gluconato 6P

ATP

Gluconato

ATP

Fructosa 1,6 biP

Gliceraldehído P

Fosfoenolpiruvato

ATP, NADH

Piruvato

ATP

Acetil CoA

NADPH, CO2

CO2,

NADPH

Pentosas-P

Pentosa

ATP

Entner Doudoroff

Glucólisis

Las vías del metabolismo central:

Glucólisis (Embden-

Meyerhof-Parnas

EMP), de las Pentosas fosfato y Entner-

Doudoroff proveen de

precursores

metabólicos para

otras vías, son las vías

para el metabolismo

de carbohidratos y

ácidos carboxílicos.

Las tres vías convierten por diferentes rutas

la glucosa en gliceraldehído, que es oxidado por la misma reacción para

formar piruvato.

Glucólisis

•La vía de la glucólisis

(Embden-Meyerhof-Parnas EMP), se encuentra

en todos los eucariotes y

en muchas especies de

bacterias.

•En la primera etapa hay

gasto de 2 moléculas de

ATP por molécula de

glucosa.

•En la segunda parte se

forman 4 moléculas de

ATP por fosforilación a

nivel de sustrato y 2 de NADH.

Ciclo de las pentosas fosfato

Importancia:

•Produce los precursores

de la ribosa, desoxirribosa

en los ácidos nucleicos y

provee de eritrosa fosfato

como precursor de

aminoácidos aromáticos.

•Se produce en está vía,

NADPH, la mayor fuente de electrones de la

biosíntesis y varias de sus

reacciones las comparte

con el ciclo de Calvin.

Vía Entner-

Doudoroff

•Muchos tipos de bacterias no

poseen la enzima

fosfofructocinasa-1 y no pueden

convertir la glucosa-6P a

Fructosa 1,6-difosfato.

•Una vía alterna es Entner-

Duodoroff, en la cual la glucosa

6P es convertida a piruvato y Gliceraldehído-3-fosfato por la

desidratación poco usual del

6-fosfogluconato para formar

2-ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato

(KDPG).

Oxidación/Fermentación

•La fermentación requiere de una fosforilación inicial, utiliza

principalmente la vía de la Glucólisis (Embden-Meyerhof-Parnas

EMP), aunque también puede utilizar las vías de las Pentosas

fosfato o Entner-Doudoroff (ED) en combinación con EMP.

•La vía metabólica de Embden-Meyerhof-Parnas también se

denomina glucolítica o anaerobia o fermentativa. La vía

metabólica de Entner-Doudoroff también se denomina aerobia.

•En la prueba de Oxidación-

fermentación se emplea el medio

de Hugh and Leifson en condiciones aerobias y anaerobias

para determinar el metabolismo

oxidativo o fermentativo de un

hidrato de carbono.

Oxidación/Fermentación

•La oxidación de la glucosa produce ácido pirúvico por la

vía de Entner-Doudoroff (ED) o

por una derivación. Ambas se

han encontrado en procariotes.

•La vía de ED ocurre en

condiciones aerobias.

•La vía de derivación no

requiere de fosforilación inicial.

Glucosa Glucosa

Deshidrogenasa

Ácido glucónico Gluconato

dehidratasa

Ácido2-ceto-glucónico Cinasa

Ácido 2-ceto-6-fosfoglucónico

(KDPG) Reacciones ED

2 Moles de ácido pirúvico

• En la derivación se forma el

intermediario KDPG que se incorpora a la vía de ED para

formar piruvato.

Ciclo de Krebs

• Aunque la vía de los

ATC se asocia a bacterias

aeróbicas, no todas ellas

poseen el ciclo completo.

•También se presenta en

muchas bacterias

heterotróficas que crecen

anaeróbicamente y en ciertos anaerobios que

oxidan completamente

los compuestos orgánicos

a CO2.

Fermentación

Es definida como una ruta en la cual el NADH es reoxidado por

metabolitos producidos por la vía. Las reacciones redox ocurren principalmente en el citoplasma y el ATP es producido por

fosforilación a nivel de sustrato. La fermentación sucede en

condiciones anaeróbicas.

•Células eucariotes. Levaduras, fermentación alcohólica

Células musculares y eritrocitos, fermentación láctica

•Células procariotes.1. Láctica

2. Alcohólica

3. Butírica

4. Ácido mixta

5. Propionica

6. Homoacética

Fosforilación a

nivel de sustrato Compuesto orgánico (reducido)

Intermediario A

Pi

ATP

Intermediario B P

Intermediario C P

Intermediario D(oxidado)

ADP

NAD+

NADH

Producto final (reducido)

NADH

NAD+

Acarreador electrónico

El sustrato orgánico (donador de

e-) pasa por una ruta catabólica

(ej., la glucólisis), y uno de los

intermediarios de esa ruta es

oxidado por un coenzima, se origina un intermediario no

fosforilado con una gran energía

de hidrólisis. El intermediario

experimenta enseguida una sustitución con un fosfato, para dar

la correspondiente forma acil-

fosfato (enlace de alta energía).

Este acil-fosfato dona su fosfato de

alta energía al ADP, que pasa a

ATP.

•Se realiza en

condiciones

anaerobias.

•Emplea como

aceptor de

electrones a una

molécula

orgánica.

•Utiliza el NADH

producido en la

glucólisis.

•Se conserva la

energía de la

fosforilación a nivel de sustrato (FNS).

Acido oxaloacético

Ácido pirúvico+2HAcido láctico Acido a-acetoláctico

Streptococcus

LactobacillusStaphylococcus

+ ácido pirúvico

-CO2

-CO2

Acetoina

+2H

Klebsiella

EnterobacterBacillus

2,3-butanediol

+CO2

ATP

ADP

+2H

Acido málico

Acido succinico

Acido propionico

-H2O+2H

-CO2

BifidobacteriumPropionibacterium

Ácido fórmicoAcetil-S-CoA

CO2

H2

Shigella

CO2 H2

E. coli Salmonella

Clostridium

Acetona

+2H

Isopropanol

Acetoacetil-S-CoA

-CoA-SH

Acido Acético

+4H-CoA-SH

Etanol

+Acetil S-CoA-CoA-SH

+4H

-CoA-SH

-CO2

Butanol

Butiril-S-CoA

Ácido Butirico

-CoA-SH+4H

Fermentación

Efecto Pasteur

Cuando microorganismos

facultativos se están

cultivando anaeróbicamente

y se exponen al oxígeno, hay

una inhibición del consumo

de glucosa, esto es conocido

como efecto Pasteur y refleja el incremento de rendimiento

energético obtenido por el

metabolismo respiratorio de la

glucosa comparado con el obtenido por la fermentación

de la glucosa.

Efecto Crabtree

Se refiere a la inhibición del consumo de oxígeno producido

por aumento en la concentración de glucosa.

Producción de energía

Reacción de

Stickland

Reacción de

Stickland

Clostridium, emplea

aminoácidos como

aceptores y donadores

de hidrógeno para

obtener energía.