metabolismo carbonado

I N S T I T U T O P O L I T C N I C O N A C I O N A L

E S C U E L A N A C I O N A L D E C I E N C I A S B I O L G I C A S

D E P A R T A M E N T O D E M I C R O B I O L O G A A C A D E M I A D E B I O Q U M I C A M I C R O B I A N A

B I O Q U M I C A M I C R O B I A N A

M E T A B O L I S M O C A R B O N A D O

MXICO D.F. AGOSTO - DICIEMBRE, 2014

III. METABOLISMO CARBONADO (CATABOLISMO Y ANABOLISMO)

III.1 RUTAS PRINCIPALES DE DEGRADACIN DE CARBOHIDRATOS EN

MICROORGANISMOS

- La Gluclisis como ruta central del metabolismo de carbohidratos (ruta de

Embden Meyerhof Parnas). Fosforilaciones a nivel sustrato durante la degradacin del glucosa.

- Rutas alternas de la gluclisis: Ruta de las pentosas fosfato (Ruta de la

Hexosa Monofosfato o Fosfogluconato), Entner Duodoroff, Fosfocetolasa.

- Fermentaciones glicolticas (Homolctica, Alcohlica, cido mixta, Butanodiolica, Butrica I y II, Propinica). Balance de fermentacin.

III.2 ANFIBOLISMO

- Ciclo de Krebs o Ciclo de los cidos tricarboxlicos (CAT). Sitios de

produccin de NADH + H+ (FADH2). Enzimas regulatorias.

- Reacciones anaplerticas de CO2.

- Ciclo del Glioxilato.

- CAT incompleto

- Ciclo de los cidos dicarboxlicos.

- Va del Glicerato.

- Va de las Pentosas.


III.3 PRODUCCIN DE ENERGA

- Utilizacin del NADH o FADH2 en una cadena de transporte de electrones.

- Fosforilacin oxidativa. La mitocondria como modelo. Los acarreadores de

electrones.

- Caractersticas de los complejos respiratorios.

- Inhibidores de la cadena de transporte de electrones.

- Acoplamiento quimioosmtico.

- Relacin P/O.

III.4 SISTEMAS RESPIRATORIOS DE BACTERIAS

- Respiracin anaerbia.

- Aceptores finales de electrones.

- Desnitrificacin.

- Nitrato reductasa.

III.5 DEGRADACIN DE MOLCULAS DIFERENTES A GLUCOSA (CATABOLISMO)

- Degradacin de cidos grasos saturados e instaurados.

- Degradacin de hidrocarburos. Importancia en la biorremediacin.

Degradacin de hidrocarburos aromticos. Degradacin de hidrocarburos

alifticos.

- Utilizacin de metano y metanol. Ruta de la Ribulosa monofosfato. Ruta de la

Serina. Ruta de la Xilulosa monofosfato.


- Degradacin de bases nitrogenadas (Bases pricas y pirimdicas)

- Degradacin de aminocidos. Destino del esqueleto carbonado y del grupo

amino. Mecanismos de desaminaciones y transaminaciones. Enzimas.

Caractersticas.

III.6 BIOSNTESIS DE MOLCULAS PEQUEAS (ANABOLISMO)

- Sntesis de lpidos. Sntesis vs degradacin. Sntesis de cidos grasos

insaturados. Sntesis de triacilglicridos y fosfolpidos.

- Biosntesis de aminocidos. Familias de aminocidos.

- Sntesis de Purinas y Pirimidinas. Rutas de salvamento y de novo.

Fosforibosil pirofosfato (PRPP) en la sntesis de bases nitrogenadas.

- Intermediarios importantes.

- Control de la sntesis.

III.3 PRODUCCIN DE

ENERGA


Elaborado por Miguel Angel Hernndez Marn

La obtencin de ATP se realiza mediante:

Fosforilacin a nivel sustrato: Producido en fermentaciones. Proporcionan

poca energa. Los esqueletos carbonados estn parcialmente oxidados. La

diferencia entre potenciales de reduccin del donador primario de

electrones y del aceptor final de electrones es relativamente pequeo.

Fosforilacin oxidativa: Mediante respiracin

Fotofosforilacin / Fotosntesis: Producida en Plantas y bacterias

fotosintticas.

FOSFORILACIN

Es la obtencin de energa por oxidacin de sustratos reducidos: orgnicos

en quimiorgantrofas e inorgnicos en quimiolittrofas.

RESPIRACIN

Las coenzimas reducidas (como el NADH)

transfieren los electrones a un aceptor final

oxidado, no directamente (como en la

fermentacin), sino a travs de una cadena

transportadora de electrones al final de la cual

existe un aceptor exgeno oxidado, que se reduce.

Respiracin aerobia: El aceptor final es el O2.

Respiracin anaerobia: El aceptor final es

distinto del O2 (nitrato, sulfato, etc.).

Es el proceso por el que se utiliza la energa procedente del transporte de

electrones para sintetizar ATP.

La manera mas eficiente de obtener energa en forma de ATP para utilizarla

en procesos fisiolgicos como la biosntesis y el transporte de solutos en

clulas que realizan procesos respiratorios, es acoplando el flujo de los

electrones de la membrana a la formacin de un gradiente de potencial

electroqumico (p).

FOSFORILACIN OXIDATIVA

En general, las reacciones de oxido-reduccin que ocurren en las

membranas de las clulas dan por resultado un potencial de protones, ya

que se acoplan las reacciones redox a la translocacin de protones a travs

de la membrana.


Una reaccin REDOx implica la siguiente reaccin:

NADH + H+ NAD+ + 2H+ + 2e

Las bacterias tienen tres maneras de reoxidar al NADH:

1) Respiracin (aerobia o anaerobia)

2) Fermentacin

3) Reacciones de Hidrgeno


III.4 SISTEMA

REPIRATORIO DE

BACTERIAS



La cadena de transporte de E coli

En la membrana plasmtica de Escherichia coli se encuentran varios sistemas de transporte, el aparato del motor flagelar el sistema respiratorio del transporte de electrones y el sistema de ATPasa para la sntesis de ATP. El

NADH+ (H+) alimenta su par de electrones al sistema de transporte de electrones, a travs de la secuencia de los

acarreadores de electrones en la membrana: FADFeS QH2citocromos bbo, que finalmente llegan al Oxgeno para formar H2O durante la respiracin aerobea. En ciertos puntos del proceso del transporte de electrones los

electrones pasan a travs de sitios de acoplamiento provocando la translocacin de protones del interior al exterior de la membrana , estableciendo una fuerza protn motiva (fpm) en la membrana. Este p es utilizado por las bacterias para

realizar trabajo (motor del flagelo) o aportar energa para el transporte activo (por ejemplo en el simporte de lactosa-

prolina, Ca++/Na+ antiport), sntesis de ATP (por la ATPasa sintasa).

CADENA RESPIRATORIA DE

SISTEMAS BACTERIANOS.

A) Sistema Lineal

B) Sistema ramificado. Utiliza Menaquinonas (MK)

C) Sistema Cclico. Carcterstico de bacterias fotosintticas.

Cadenas respiratorias de

bacterias. Las caractersticas que distinguen la respiracin de bacterias

con la de eucariotes (o mitocondriales) son:

1) Estn organizadas en complejos de oxidasas conectadas por quinonas.

2) Pueden utilizar aceptores de electrones diferentes al O2. Los complejos en este caso son Reductasas

3) Las rutas al aceptor terminal pueden ser Ramificadas

4) muchas bacterias pueden alterar sus cadenas de transporte de electrones dependiendo de las condiciones de crecimiento.

Cual es la ventaja de tener rutas ramificadas?

Esto les confiere flexibilidad debido a que las

ramificaciones tiene distintos valores de p.

- Pueden cambiar a la ramificacin con mucho o poco oxgeno.

Las deshidrogenasas que utilizan los microorganismos son NADH deshidrogenasas de la cadena de transporte o el complejo de la Succ. DH (C-II). Sin embargo tambin pueden utilizar otras deshidrogenasas:

-H2 deshidrogenasas, formiato deshidrogenasas, lactato deshidrogenasas metanol deshidrogenasas metilamino deshidrogenasas, etc.

Las Oxidasas terminales tambin son

variadas a diferencia con las mitocondrias

Oxidasa cbb3

Superfamilias de

Oxidasas que contiene

Cu++

Cit aa3 oxidasa

Cit bo3 oxidasa (cit o

oxidasa)

Cit bb3 oxidasa

En consecuencia las ramificaciones hacen diferir en el p

de la cadena y por lo tanto en el nmero de sitios de

acoplamiento. Esto sucede en Nitrobacter, nitrosomonas y

en Microorganismos littrofos.

Complejos respiratorios

bacterianos Las Eubacterias contienen una forma mnima del

complejo I conteniendo

todos los grupos prosteticos

como en la mitocondria

normal, pero solo con 14

cadenas polipetdicas.

Este complejo asociado a

la membrana, lleva los

electrones del NADH a la

ubiquinona o menaquinona,

para pasar al complejo que

contiene el cit b, cit o y cit

aa3 bombeando protones

fuera de la clula para

generar un potencial

qumico que dirige la

sntesis de ATP.

Complejo bc1

El complejo bc1 de

bacterias es similar al

de mitocondrias: La

protena Fe/S y el

citocromo c1 se

encuentran sobre el

lado externo de la

membrana (lado

positivo o P) El Cit b

se piensa que

atraviesa la membrana

actuando como un

conductor de

electornes.

Flujo de electrones de E coli. Esta bacteria puede

sintetizar oxidasas dependiendo de las

condiciones en las que est creciendo Cuando crece aerbicamente produce dos

diferentes citocromo oxidasas ; cit bo ( o cit o)

y cit bd (cit d).

b 562 cit o O2 oxgeno alto Deshidrogenasa UQ b558 cit d O2 baja tensin de oxigeno

Los citocromos bo y bd se expresan slo cuando las

condiciones de oxgeno lo requieren .

De esta manera dependiendo de la ruta que utilice E coli para oxidar

al O2 se pueden producir de 1-3 ATPs, debido a que se puede ajustar

el p generado durante la respiracin.

Bombeo de protones El bombeo de protones a travs de los complejos

mitocondriales (o bacterianos) no se conoce muy

bien. Es por ello que se ha propuesto que esto

ocurre por dos mecanismos distintos;

1) a travs del ciclo Q

2) a travs de una bomba de protones.

Es por ello que se les ha dado funciones especficas a los

acarreadores

*Flavoprotenas: acarrean los H+

*Protenas Fe/S: acarrean solo e-

*Quinonas: acarrean H

*Citocromos c acarrean e-

Cadena de transporte de

electrones reverso Ocurre en quimiolittrofos.

Se produce para reducir al NADP+ a NADPH

Lo utilizan microorganismos que utilizan

nitrito.

NAD

NADH

FP Citb Cit c cit a1 Cit a3

O2

H2O

NO2 NO3

2e

Nitrito oxidasa

RESPIRACIN ANAERBEA.

CADENAS DE ELECTRONES

Respiracin anaerbea

Los organismos anaerobios utilizan receptores de electrones que tienen un potencial mas alto de reduccin que el oxgeno, lo que significa que la respiracin es menos eficiente y conduce generalmente a tasas de crecimiento mas lentas que en los aerobios

Anaerobios facultativos pueden utilizar tanto oxigeno como receptores finales de electrones alternativos para la respiracin dependiendo de las condiciones ambientales

La mayora de los microorganismos que realizan

respiracin anaerbica son hetertrofos

Proceso de desnitrificacin

Son procesos disimilativos, es decir que proporcionan

energia pero no nutrientes

para la celula

Respiracin del nitrato y

fermentacin

En presencia de Nitrato, el formiato es oxidado por una formiato deshidrogenasa diferente:

Los electrones se transfieren al nitrato y no se forma hidrgeno.

La cadena de transporte que se establece desde el formiato al nitrato permite generar ATP por fosforilacin oxidativa.

Por tanto, una bacteria entrica que fermenta glucosa en presencia de nitrato obtiene ATP tanto por foforilacipon a nivel de sustrato (Fermentacin)como por fosforilacin oxidativa (respiracin anaerbea)

Catabolismo de la glucosa por bacterias

fermentativas que respiran nitrato

Aceptor Producto final Microorganismo

Nitrato Nitritos, xidos de

nitrgeno y N2

Pseudomonas,

Bacillus

Sulfato Sulfuros Desulfovibrio,

Clostridium

Azufre Sulfuros Thermoplasma

CO2 Metano

Methanococcus,

Methanosarcina,

Methanopyrus

Fe3+

Fe2+

Shewanella,

Geobacter,

Geospirillum,

Geovibrio

Mn4+

Mn2+

Shewanella

putrefaciens

Selenato Selenito

Arsenato Arsenito Desulfotomaculu

m

Fumarato Succinato

Wolinella

succinogenes,

Desulfovibrio, E.

coli

DMSO DMS Campylobacter,

Escherichia

TMAO TMA

Clorobenzoato Benzoato Desulfomonile

Respiracin anaerbea de E coli.

Anaerbeo facultativo

En ausencia de Oxgeno puede utilizar ya sea nitrato o fumarato como aceptor de electrones.

Mandan sus electrones a los siguientes aceptores:

Cit b, Fe/S FAD fumarato (fumarato

reductasa)

NADH asa MQ (o UQ) Cit b, Fe/S Mo DMSO (dimetilsulfxido red.)

Cit b, Fe/S Mo TMANO (trimetilaminoN

oxido

reductasa)

Cit b, Fe/S, Mo NO3 (Nitrato reductasa)

Respiracin anaerbea En esta condicin el aceptor de electrones no

es el oxgeno, puede ser un compuesto orgnico (como el fumarato ) o un compuesto inorgnico (como el nitrato)

E coli puede utilizar ya sea fumarato o nitrato como aceptor de electrones.

El nitrato es reducido a nitrito que despus es reducido a amonio.

El fumarato es reducido a succinato y este es excretado al medio-

El fumarato es reducido a succinato por la

fumarato reductasa, una enzima unida a

la membrana .

El nitrato es reducido a nitrito utilizando

una enzima unida a la membrana, la

nitrato reductasa, que se parece a la

nitrato reductasa desasimilatoria de P

desnitrificans.

Tanto la fumarato reductasa como la

nitrato reductasa estn acopladas a la

generacin de un p con una quinona.

Cadenas respiratorias

anaerbicas Consisten de :

Una deshidrogenasa

Una quinona difusible

Una reductasa

El nmero de sitios de acoplamiento depende de si el aceptor de electrones es el fumarato o el nitrato:

Con nitrato hay un sitio de acoplamiento en la quinona.

Con fumarato no hay sitio de acoplamiento

Modelo del transporte de electrones de

Paracoccus desnitrificans

AEROBEO

ANAEROBEO

Oxido nitrico reductasa

Nitrito reductasa

Nitrato reductasa

Citbb3

deshidrogenas

a

deshidrogenasa

Oxido nitroso reductasa

Deshidrogenasa UQ bc1 c O2

O2

Metanol

UQ bc1 c

NO3

NO2

NO

N 2O

N 2

sitio de acoplamiento

La nitrato Reductasa

Reduce el Nitrato a nitrito. NO3NO2

Implicada en procesos de desasimilacin

de nitrato

Es una enzima compleja que consiste de

tres subunidades .

Es una Protena Fe/S que contiene

Molibdeno adems de Fe

La subunidad se encuentra asociado al cit b

La Nitrato reductasa de respiracin Anaerbea. El cit b asociado a la sub. se reduce oxidando al quinol y libera protones (acta como bomba de protones) Los electrones viajan de CoQ A la subunidad gamma y continan hacia el centro Fe/s de hasta la subunidad alfa para alcanzar la Molibdopterina y reducir al nitrato

NO3 NO2

Antioxidantes.

Ascorbato. Plantas y animales producen ascorbato. Los primates no.

Es un agente reductor debido a que contiene dos hidroxilos ionizables. Es un antioxidante siempre y cuando no este en presencia de Fe y Cu

Ditionita se utiliza para reducir al cit b

Bioqumica de la

desnitrificacin

La desnitrificacin es definida como el

proceso microbiano que reduce el nitrato a

nitrito para generar una fuerza protn

motriz bajo condiciones anaerbea.

El gas nitrgeno (N2) es el principal

producto con pequeas cantidades de NO

(xido ntrico) y N2O (xido nitroso)

La nitrito reductasa

El nitrito producido por la nitrato reductasa

es excretado a la regin periplsmica

Hay dos tipos de nitrito reductasas : Una

que contiene citocromo c y cit d (cdNiR) y

la otra que contiene cobre (CuNiR).

CuNiR se encuentra ampliamente

distribuda en los procariotes (G- y G+)

cdNiR en los G-

Regulacin de la

desnitrificacin. Es fuertemente inhibida por Oxgeno.

La expresin de los genes para las enzimas es fuertemente regulada.

Las actividades enzimticas aparecen de 4-120 min despus del que el cultivo se encuentra en anaerobiosis.

La expresin de la Nitrato reductasa es estimulada por Nitrato

Cuando hay oxgeno la enzima pierde afinidad por la CoQ reducida.

Una protena activadora para la expresin es la FNR. Incrementa la afinidad del promotor para la RNApol. Tambin participa un sistema de dos componentes: NarX y NarL.

Examen

Hongos desnitrificantes

El proceso de desnitrificacin se ha encontrado en algunos hongos: Fusarium oxiporum, Cylinbdrocarpon tonkinensis, Fusarium solani, Gibberella fujikuori, Talaromyces flavus, Trichoderma hamatum,

Algunos quimiolittrofos pueden usar nitrato como aceptor de electrones (Thiobacillus denistrifcans *y Thiomycrospira denitrificans

*Puede oxidar uranio acoplado a la reduccin del nitrato.

Desnitrificacin Es un proceso microbiano que elimina el nitrato de las tierras de

labranza.

Tambin se utiliza en plantas de tratamiento de agua para eliminar los nitratos.

Es un proceso DESASIMILATORIO.

Se reduce el Nitrato a nitrito para generar p durante respiracin anaerbea

Paracoccus desnitrificans es un microrganismo caracterstico de este proceso. Metabolizan carbohidratos a travs de gliclisis y CAT.

Otros: Ralstonia (Alcalgenes) y Pseudomonas

La desnitrificacin implica la reduccin paso a paso del nitrato al nitrito (NO2

- ), al xido ntrico (NO), al xido nitroso (NO2) y al nitrgeno (N2) mediante las enzimas nitrato reductasa, nitrito reductasa, xido ntrico

OTROS CASOS

Fumarato reductasa

Las Propionibacterias que fermentan lactato a propionato ( ruta del succinato) utilizan esta enzima como bomba de protones.

La fumarato reductasa reduce fumarato a succinato: 2H+

COOH-CH=CH-COOHCOOH-CH2-CH2-COOH

En esta reaccin se produce ATP por la formacin de un p producido por el bombeo de protones .

Descarboxilasa dependiente de

sodio.

En Klebsiella neumoniae tiene una metil-malonil descarboxilasa dependiente de sodio

Se encuentra unida a la membrana y exporta sodio acoplado a una descarboxilacin

La energa libre de la descarboxilacin es conservada como una fuerza motriz impulsada por sodio p.

Se produce un sistema antiport con H+ y as se permite la sntesis de ATP.

III.5 DEGRADACIN DE

MOLCULAS DIFERENTES

A GLUCOSA

(CATABOLISMO)



Bacterias heterotrofas crecen

sobre glucosa y sales minerales.

Otros compuestos orgnicos

diferentes a glucosa tambin son

utilizados por las bacterias.

El metabolismo central puede

utilizar reacciones que le

permiten invertirlo, la mayora de

estos componentes son

convertidos a intermediarios del

metabolismo central

IMPORTANCIA DEL SUSTRATO

Carbohidratos: Polisacridos (almidn, celulosa) disacridos,

monosacridos.

Protenas

cidos nuclicos

Lpidos

SUSTRATOS DIFERENTES A GLUCOSA

Almidones (hidrolasas)

Celulosa (glucanasas)

Otros polisacridos: hemicelulosa, pectina y quitina.

Disacridos: celobiosa, maltosa, sacarosa

Acidos grasos: Metabolizados en oxidacin

Hidrocarburos (Mono(di)oxigenasas) ac. Grasos

Acetato Acetil-CoA: Metabolizados en el CAT

Malonato maloniyl CoA acetil CoA

Peptona y extracto de carne: Aminocidos y pptidos cetocidos

cidos nucleicos Urea, Malonato

Alcoholes y cetonas cidos grasos

UTILIZACIN DE POLMEROS Y OTRAS

MOLCULAS

Hexosas:

Fructosa Fructosa 6

P; Fructosa 1 P

Galactosa Galactosa

1 P UDP Gal Glc

1 P

Manosa Manosa 6

P Fructosa 6 P

UTILIZACIN DE HIDRATOS DE CARBONO

Pentosas:

Ribosa Ribosa 5 P

Arabinosa Ribulosa Ribulosa 5 P

Xilosa Xilulosa 5 P Ribulosa 5 P

UTILIZACIN DE HIDRATOS DE CARBONO

Los lpidos son un grupo heterogneo de sustancias que comparten la

propiedad de ser altamente insolubles en agua.

Esencialmente todos los lpidos en los procariotes se encuentran en las

membranas como fosfolpidos. En E. coli contienen del 10 al 15% de C total.

En general los lpidos pueden ser:

Neutros: Triacilgliceroles

Polares: Fosfolpidos.

Contienen cidos grasos esterificados a glicerol.

Excluyen a los lipopolisacridos, los lpidos de E. coli son fosfolpidos

LPIDOS

Son cadenas hidrocarbonadas (metilenos) con un grupo carboxilo al final.

No ocurren de forma libre en las bacterias (Repartidos en la membrana

plasmtica y pared celular).

Estn unidos covalentemente a otras molculas (fosfogliceridos,

lipopolisacridos, lipoprotenas etc.).

Pueden ser ramificados, saturados, insaturados o hidroxilados.

Tipos encontrados en bacterias: los mas comunes son aquellos de cadenas

de 16 o 18 tomos de C.

CIDOS GRASOS

Algunas bacterias acumulan poli hidroxibutirato, que es una eficaz

reserva energtica (Azotobacter).

En las micobacterias se encuentran lpidos estructurales especiales que

pueden llegar a constituir el 10% en peso seco.

Los cidos grasos ms frecuentes que se encuentran en procariontes:

Palmitico (43%)

Palmitoleico (33%)

Cis vaccnico o cido cis-delta-11-octadecnico (25%)

LPIDOS Y CIDOS GRASOS EN BACTERIAS

Un cido graso puede ser oxidado

en el carbono , , u .

oxidacin

oxidacin

oxidacin

La Acil- CoA sintetasa forma Acil

CoA de los cidos grasos y CoA.

Acil CoA es convertida a Acetil

CoA a travs de la oxidacin

(degradacin de cidos grasos).

OXIDACIN DE LOS CIDOS GRASOS

El ciclo del glioxilato y el CAT emplean la Acetil CoA en esqueletos

carbonados necesarios para la biosntesis.

Muchas bacterias (Pseudomonas, bacilos y E. coli) pueden crecer en

presencia de cadenas largas de cidos grasos.


La oxidacin elimina de forma oxidativa 2 unidades de carbono en forma

de Acetil CoA desde Acil CoA (cido graso + CoA) y esto es catalizado

por 5 enzimas incluyendo la Acil CoA sintetasa

Esta reaccin se lleva a cabo en dos pasos:

Un pirofosfato es desplazado del ATP para formar un AMP derivado del

grupo carboxilo (un Acil adenilato) que se queda unido a la enzima.

Luego el AMP es desplazado por la CoASH para dar el Acil graso CoA

ACIL CoA SINTETASA

ACIL CoA SINTETASA

OXIDACIN DE CIDOS

GRASOS DE CADENA PAR En los eucariontes la oxidacin se

efecta en las mitocondrias y en organelos

especializados llamados peroxisomas. En

bacterias las reacciones se efectan en el

citosol Cuatro pasos.

Las 4 enzimas de la oxidacin en bacterias Gram + son entidades

solubles y separadas. En la bacterias Gram las cuatro actividades

enzimticas residen en tres polipptidos (Las enzimas 2 y 3 forman parte de

una cadena polipptidica sencilla).

OXIDACIN DE LOS CIDOS GRASOS EN

BACTERIAS

Los dobles enlaces de cidos

grasos insaturados se

encuentran posicin cis y no

pueden actuar como sustrato

de la enoil CoA hidratasa, le

enzima que cataliza la adicin

de agua al doble enlace en

trans del 2 enoil CoA.

Se necesitan dos enzimas

adicionales para la

oxidacin: Una isomerasa y

una reductasa.

OXIDACIN DE CIDOS

GRASOS INSATURADOS

OXIDACIN DE CIDOS GRASOS

INSATURADOS La Reductasa acta en la

oxidacin de los cidos grasos

poliinsaturados (Linoleato de 18

C, configuracin cis 9, cis

12).

La accin combinada de la enoil

CoA isomerasa y la 2, 4 dienoil

CoA reductasa, permite la

reentrada del cido graso con la

configuracin cis 3, cis 6, a

la ruta normal de la oxidacin

y su degradacin a 6 molculas

de Acetil CoA.

cidos grasos de 14 o ms carbonos pueden pasar directamente a travs

de membranas mitocondriales a travs de la Lanzadera de la Carnitina.

OXIDACIN DE LOS CIDOS GRASOS EN

EUCARIOTES

La oxidacin de los cidos grasos

de cadena par resulta en obtencin de

Acetil CoA. La degradacin de cidos

grasos de cadena impar proporciona

Propionil CoA.

En eucariontes el Propionil CoA se

metaboliza a Succinil CoA (CAT).

Propionil CoA es un metabolito

intermediario de diversos compuestos

incluyendo a los aminocidos tales

como L valina y L isoleucina.

OXIDACIN DE CIDOS

GRASOS DE CADENA IMPAR

OXIDACIN DE CIDOS GRASOS DE

CADENA IMPAR

FERMENTACIN PROPINICA /

VA DEL SUCCINATO


VA DEL SUCCINATO Enzimas:

1.- LDH

2.- metil-malonil CoA

-piruvato transcarboxilasa

3.- Malato deshidrogenasa

4.- Fumarasa

5.- Fumarato reductasa

6.- CoA transferasa

7.- metil-malon-CoA mutasa

8.- metil-malonil CoA racemasa

9.- Piruvato deshidrogenasa

10.- p-transacetilasa

11.- Acetato cinasa

Enzimas de inters:

Transcarboxilasa: Requiere biotina

Fumarato reductasa: Est acoplada a la sntesis de ATP

Metil malonil CoA mutasa: Utiliza Coenzima B12

En esta fermentacin se sintetizan 3 ATP a partir de 3 lactatos: uno por

Acetato cinasa y otro por Fumarato reductasa.

La metil malonil CoA piruvato transcarboxilasa utiliza biotina como cofactor.


VA DEL SUCCINATO

Esta coenzima es utilizada por

enzimas que realizan

reacciones de rearreglo de

carbonos.

La metil malonil CoA mutasa

realiza la reaccin de rearreglo

para convertir el Succinil CoA

a metilmalonil CoA.

Esta coenzima es producida por

Propionibacterium shermanii.

ESTRUCTURA DE LA COENZIMA B12

La mayora de los Microorganismos de la fermentacin propinica utilizan la

va del succinato.

Pero Clostridium propionicum y Megasphaera elsdenii fermentan lactato a

travs de la va del lactil CoA y Acrilil CoA (va del acrilato)

En esta va se produce 1 ATP / 3 lactatos.

La ruta simple que utiliza lactil CoA es caracterstica de bacterias del

rumen y el intestino de los rumiantes.

VA DEL ACRILATO

VA DEL ACRILATO EN LA FERMENTACIN DEL

PROPIONATO

La va del acrilato (Pseudomonas aeruginosa y Escherichia coli) y la va

del metilmalonil CoA fueron identificadas, en trabajos recientes, como el

metabolismo oxidativo del Propionil CoA.


CADENA IMPAR

Estudios recientes han

mostrados que el Propionil CoA

es metabolizado a Piruvato a

travs del ciclo del Metilcitrato,

en varias bacterias, incluyendo

Escherichia coli, Salmonella

typhimorium y Ralstonia

eutropha, y en levaduras tales

como Saccharomyces cerevisiae

y Aspergillus nidulans.


CADENA IMPAR

El Propionato puede inhibir el crecimiento de hongos en glucosa, pero

tambin puede servir como fuente de carbono y energa.

Ciclo del Metilcitrato:


CADENA IMPAR

La oxidacin de los cidos grasos de elevado peso molecular se lleva a

cabo mediante un sistema enzimtico que cataliza la hidroxilacin en el

carbono 2.

El resultado de esta reaccin oxidativa es de ordinario la descarboxilacin

con formacin de un cido graso de un carbono menos.

La primera etapa de la formacin del hidroxicido es una reaccin de

una oxidasa de formacin mixta y la segunda es la descarboxilacin

oxidativa.


Los cidos grasos tambin pueden oxidarse a hidroxicidos que

despus pasan a ser cidos dicarboxlicos.

En la especies de Pseudomonas los cidos grasos producidos por

hidrocarburos se oxidan simultneamente por y oxidacin.

Cuando no se tiene lugar la oxidacin es cuando se acumulan ceras.


Muchos microorganismos procariontes y eucariontes pueden utilizar los

hidrocarburos como fuente de carbono y energa.

Los hidrocarburos son molculas conformadas de tomos de carbono e

hidrgeno.

Molculas altamente reducidas

De los compuestos que pueden degradar se encuentran :

Hidrocarburos lineales (Octano)

Hidrocarburos aromticos (Txicos / Herbicidas y Pesticidas)

Metanol y metano.

DEGRADACIN DE HIDROCARBUROS

MICROORGANISMOS DEGRADADORES

DE HIDROCARBUROS

HIDROCARBUROS

En la actualidad los microorganismos representan una solucin para

degradar hidrocarburos producidos por derrames petroleros.

Tambin pueden utilizarse para la produccin de surfactantes.

Otros son el futuro de produccin de biodisel (compuestos orgnicos

de steres monoalqulicos de cidos grasos de cadena larga y corta)

IMPORTANCIA Y APLICACIN

Los hidrocarburos son insolubles en agua, por lo que requieren de un

transporte.

Los microorganismos que utilizan hidrocarburos (bacterias y hongos)

contienen Glicolpidos hidrofbicos en la superficie celular que solubilizan

los hidrocarburos para su transporte.

Muchas bacterias (Acinetobacter calcoaceticus) produce un surfactante

para mejorar el transporte de los hidrocarburos como una emulsin

TRANSPORTE DE HIDROCARBUROS

TRANSPORTE DE HIDROCARBUROS

GLICOLPIDOS

Carbohidratos combinados con largas cadenas de cidos alifticos o cidos

hidroxialifticos.

Desai y Banat 1997; Kitamoto y col. 2002

La degradacin del petrleo es fundamentalmente aerobia.


La oxidacin de alcanos y alquenos implica la asimilacin de O2 molecular

Grupo relativamente reducido de bacterias y hongos: Pseudomonas,

Mycobacterium y Nocardia.

El tipo ms comn de oxidacin de los hidrocarburos parafnicos (de cadena

larga - alifticos), es la oxidacin monoterminal hasta cido graso, seguida

de oxidacin.

OXIDACIN DE HIDROCARBUROS ALIFTICOS

ACUMULACIN DE LPIDOS

Algunas lavaduras como Candida curvata crece en condiciones de

limitacin de nitrgeno. Acumula lpidos en approx. 40%.

Monooxigenasa de funcin mixta o hidroxilasa

Oxida al hidrocarburo a un alcohol 1 en la membrana citoplasmtica.

Puede oxidar dos diferentes sustratos usando una molcula de oxgeno.

OXIDACIN DE ALCANOS Y ALQUENOS

El alcohol producido de la oxidacin del hidrocarburo es posteriormente

oxidado a un cido graso en reacciones catalizadas por alcohol

deshidrogenasa y aldehdo deshidrogenasa.

La monooxigenasa de Nocardia petroloephilia el segundo carbono de la

cadena aliftica para producir el alcohol secundario correspondiente.

Este es oxidado a cetona por una alcohol secundario deshidrogenasa.

Una segunda mooxigenasa y acetilesterasa convierte la cetona a alcohol

primario y a acetato.


Rhodococcus rhodochrous metaboliza propileno a acetoacetato.

Los intermediarios derivados de este compuesto de 3 carbonos son

metabolizados al unirse a ellos la Coenzima M o cido 2

mercaptoetanosulfnico (CoM)

Conocido en Archeas metanognicas como acarreador de un tomo de

carbono.


OXIDACIN DE ALCANOS

Y ALQUENOS

Muchos microorganismos pueden utilizar los compuestos aromticos como

nica fuente de carbono.

Son convertidos a compuestos que puedan entrar al metabolismo central.

Estas sustancias son oxidadas bajo condiciones aerbicas, debido a su alta

estabilidad estructural.

Los hidrocarburos alifticos son fcilmente oxidados, pero los

constituyentes aromticos del petrleo son persistentes en los ecosistemas.

La degradacin de hidrocarburos aromticos es conocida en Pseudomonas

spp., Ejemplo: Pseudomonas acidovorans, y Pseudomonas putida.

OXIDACIN DE COMPUESTOS AROMTICOS

Muchos microorganismos pueden utilizar compuestos aromticos como

nica fuente de carbono

Benceno

cido benzoico

Fenol

cido saliclico

Naftaleno

Mandelato

La estructura del anillo aromtico debe degradarse.

Los productos pueden incorporarse al metabolismo central y proporcionar

fuente de C y energa.

METABOLISMO COMPUESTOS AROMTICOS

Puede dividirse en dos etapas:

1 Etapa Monooxigenasa incorpora grupos OH al anillo de benceno.

Los compuestos aromticos son convertidos a uno de los 3 intermediarios:

Protocatecuato.- Es producto de la conversin de anillos

aromticos con sustituyentes hidroxilo.

Catecol.- Derivado de hidrocarburos aromticos, compuestos

aromticos con grupos amino y monmeros de lignina.

Gentisato.- Algunas bacterias lo generan a partir de Naftaleno, 3

hidroxibenzoato, derivados fenolicos, 3,6 dicloro 2

metoxibenzoato

2 Etapa Los anillos de benceno de estos intermediarios son abiertos por

accin de diooxigenasas.


Las enzimas que participan en la ruptura del anillo son:

Monooxigenasa Oxidan el hidrocarburo a un alcohol primario

Diooxigenasas Incorporan dos tomos de oxgeno. Participan en

degradacin de compuestos aromticos.


GENERACIN DE

PROTOCATECUATO Anillos hidrocarbonados

(saturados, insaturados y

aromticos) que contiene

grupos hidroxilo son

convertidos a protocatecuato

GENERACIN DE PROTOCATECUATO

GENERACIN DE CATECOL

Los hidrocarburos

aromticos y los que

contienen grupos

amino son derivados a

catecol.

GENERACIN DE CATECOL

POLMERO DE LIGNINA

La ruptura del anillo puede ocurrir

por:

Ruptura Orto Ocurre entre los

dos grupos Hidroxilos.

Produce adipato que forma

posteriormente Succinato y acetato.

Ruptura Meta Ocurre adyacente

a uno de los Hidroxilos. Termina en

la formacin de Piruvato y

acetaldehdo.

RUPTURA DEL ANILLO AROMTICO PARA

CATECOL Y PROTOCATECUATO

RUPTURA ORTO DEL ANILLO AROMTICO

Enzimas:

1.- Catecol 2,3 dioxigenasa

2.- Semialdehdo 2-OH muconico hidrolasa

3.- cido 2-cetopen-4-enoico hidrolasa

4.- 4-OH-2-cetovalerato hidrolasa

5.- Protocatecuato 4,5 dioxigenasa

6.- Semialdehdo 2-OH-4-carboximuconico

hidrolasa

7.- cido 2-ceto-4-carboxipent-4-enoico

hidrolasa

8.- 4-OH-4-carboxi-2-cetovalerato aldolasa.

RUPTURA META DEL ANILLO AROMTICO

Enzimas:

1.- Catecol 1,2-dioxigenasa

2.- Enzima lactonizante de muconato

3.- Muconolactona Isomerasa

4.- Protocatecuato 3,4-dioxigenasa

5.- Enzima lactonizante 3-carboximuconato

6.- 4-carboximucono lactona descarboxilasa

7.- 4-cetoadipato enol-lactona hidrolasa

8.- 3-cetoadipatoSuccinil-CoA transferasa

9.- 3-cetoadipasa-CoA tiolasa

El Gentisato y sus derivados son degradados a Piruvato y Fumarato.

La degradacin es iniciada por la Gentisato dioxigenasa.

Dependiendo de los organismos, el maleilpiruvato es isomerizado a fumaril

piruvato o degradado directamente.

La ruta del gentisato es responsable de la oxidacIn de compuestos

aromticos con hidroxilos en la posicion para.

VA DEL GENTISATO

Orto Ruptura Meta Ruptura Ruta del gentisato

Las dioxigenasas o oxidasas incorporan ambos tomos del oxgeno

molecular en el sustrato y estn involucradas en las siguientes reacciones.

Las Fenilalanina monooxigenasa oxida Fenilalanina a Tirosina que es

desaminada a p hidroxifenilpiruvato.

OXIDACIN DE AMINOCIDOS AROMTICOS

Fenilalanina

monooxigenasa Transaminasa

OXIDACIN DE AMINOCIDOS AROMTICOS

p OH fenilpiruvato oxidasa

Homogentisato

oxidasa

Maleilaceto

lactato

isomerasa

Fumaril

Acetoacetato

hidrolasa

Los diversos hidrocarburos

aromticos pueden oxidarse

aerobicamente hasta

Acetato y otros cidos que

se oxidan en el CAT.

El semialdehdo del cido 2

hidroxi4carboximucnico

proporciona productos

finales que deben de entrar

en el mismo sistema de

oxidacin terminal.

VAS AEROBIAS DE OXIDACIN DE

COMPUESTOS AROMTICOS

El metano (CH4), el metanol (CH3OH) y la metilamina (CH3NH2) se

encuentran disponibles en grandes cantidades como subproductos

industriales.

Algunas bacterias y levaduras los utilizan como fuentes de carbono y

energa.

Se les consideran metfilos, e incluyen a todos aquellos que utilizan

compuestos de 1 carbono.

Son metiltrofos y metantrofos.

UTILIZACIN DE METANO Y METANOL

Los organismos Metanotrofos utilizan compuestos de un tomo de carbono

como fuente de energa y carbono.

Son incapaces de utilizar compuestos multicarbonados (Obligados

metilotrofos).

Gram negativos.

Poseen un sistema de enzimas especfico, la metano monooxigenasa.

Estructura de membrana especializada. Forman un complejo sistema de

membranas internas cuando crecen, donde se lleva a cabo la oxidacin del

CH4. Contienen altas concentraciones de esteroles.

METANOTROFA

Los organismos metantrofos NO pueden crecer en compuestos con varios

tomos de carbono y SI pueden crecer en CH3OH o CH4.

BACTERIAS METANTROFAS

Los organismos que utilizan CH4 como fuente de carbono son altamente

importantes en biorremediacin y en el efecto invernadero.

Los pasos de transformacin del metano son:

CH4 CH3OH CH2=O HCOO CO2

Metano Metanol Formaldehdo Formiato Dixido de carbono

La Metano monooxigenasa oxida el metano a metanol utilizando NADH

como cosustrato. Los electrones de la oxidacin del metanol son

canalizados a un sistema de transporte de electrones para producir ATP.

El CH2=O o el CO2 son asimilados para biosntesis de materiales celulares.

DESASIMILACIN DE METANO POR

METANOTROFOS

DESASIMILACIN DE METANO POR

METANOTROFOS

OXIDACIN DEL METANO

Durante la desasimilacin del CH4, la metanol deshidrogenasa reduce a

Pirroloquinona (PQQ) acoplada a la oxidacin del metanol para formar el

formaldehdo.

La PQQ es una coenzima de algunas deshidrogenasas (Glucosa DH en

Pseudomonas putida y Alcohol deshidrogenasa en bacterias que producen

cido actico)

La metanol deshidrogenasa se encuentra asociada a la membrana, Oxida al

metanol y pasa los electrones a PQQ conectado a una cadena de

transporte de electrones.

METANOL DESHIDROGENASA Y

PIRROLOQUINONA

METANOL DESHIDROGENASA Y

PIRROLOQUINONA

METABOLISMO DEL FORMALDEHDO

El Formaldehdo (CH2=O) es oxidado a Dixido de carbono.

Metilotrofos Gram positivos, tales como Amycolatopsis methanolica, y en

metilotrofos auttrofos como Paracoccus denitrificans.

Formaldehdo deshidrogenasa y Formiato deshidrogensa.

El CH2=O puede unirse a Tetrahidrofolato (H4F) o a tetrahidrometanopterina

(H4MTP) para despus ser oxidado a CO2 en bacterias Gram negativas que

lo convierten a materiales celulares a travs de la va de la Serina (SIL) y

Ribulosa mono fosfato (RMP).

METABOLISMO DEL

FORMALDEHDO DESDE METANOL

Fuente de energa:

Crecen a expensas del CH4.

Algunos usan CH3OH, CH2=O.

Incapaces de desarrollarse con compuestos de CC.

Nutricin:

Asimilan CH4 va ruta de la Ribulosa monofosfato o ruta de la Serina.

Ruta de la Ribulosa monofosfato (RMP): Se caracteriza por dos

enzimas claves; Hexulosa fosfato sintasa y la Hexulosa fosfato

isomerasa.

Ruta de la Serina Isocitrato Liasa (SIL): Asimilacin de formaldehdo

al unirse a la glicina.

ORGANISMOS METANOTROFOS

VA DE LA RIBULOSA MONOFOSFATO (RMP)

Enzimas:

1.- Metanooxigenasa

2.- Metanol

deshidrogenasa

(PQQ)

3.- Formaldehdo

deshidrogensa

4.- Formiato

deshidrogensa


Se asimila el

formaldehdo como

Triosa fosfato

Bacterias

metilotrofas de Tipo I

y metantrofas.

Hexelulosa fosfato

sintasa

VA DE LA SERINA ISOCITRATO LIASA (SIL)

Metiltrofos Tipo II y metantrofos

La ruta produce Acetil CoA, se

utiliza como punto de partida para

fabricar nuevo material celular.

El formaldehdo se incorpora a la

glicina para formar serina.

La enzima clave es la Serina

Transhidroximetilasa.


Enzimas:

1.- Serina hidroximetiltransferasa

2.- Serina : Glioxilato aminotransferasa

3.- Hidroxipiruvato reductasa

4.- Glicerato cinasa

5.- PEP hidratasa

6.- PEP carboxilasa

7.- Malato deshidrogenasa

8.- Malyl CoA liasa

9.- Fosfoglicerato mutasa

H4F Tetrahidrofolato

METILTROFICOS Y METANTROFOS

Utilizan compuestos metilados, pero NO CH4, como fuente de energa

(metanol, metilamina, formato u otro compuesto de un tomo de Carbono)

bajo condiciones aerbeas.

Bacterias aerobias que pueden crecer en compuestos que no contienen

enlaces CC, diferentes al CO2.

No presentan sistemas complejos de membranas como los metantrofos.

Puede fabricar sus propios compuestos orgnicos empleando como fuente

de carbono dichas pequeas molculas, y adems puede oxidarlas para

obtener energa metablica.

MICROORGANISMOS METILTROFICOS

MICROORGANISMOS METILTROFICOS

El CH2=O producido y CO2 puede utilizarse por metantrofos o metiltrofos

por estas rutas:

Ruta Ribulosa monofosfato (RMP)

Ruta de la Serina (SIL)

Ciclo de Calvin

Esto permite la produccin de compuestos de 3 Carbonos que se

incorporan a la sntesis de otros intermediarios.

UTILIZACIN DE COMPUESTOS DE 1 CARBONO

Levaduras metilotrficas asimilan metanol a travs de la ruta de la Xilulosa

monofosfato, que es diferente a las rutas bacterianas para compuestos de 1

Carbono.

Se caracteriza por la produccin de Dihidroxiacetona fosfato a partir de

formaldehdo.

3 CH2=O + 2 ATP DHAP + 3 ADP + 2Pi

Pero tambin la Dihidroxiacetona sintasa condensa el Formaldehido con

Xilulosa 5 fosfato para producir Gliceraldehdo 3 fosfato y

Dihidroxiacetona.

RUTA DE LA XILULOSA MONOFOSFATO (XMP)

RUTA DE LA XILULOSA MONOFOSFATO (XMP)

Caldos nutritivos para muchas bacterias requieren de extractos de carne.

Organismos que crecen en estos medios transportan y metabolizan estos

nutrientes a travs del metabolismo central

Los aminocidos son utilizados para la Sntesis de protenas.

Los aminocidos son fuente de Carbono y de Nitrgeno (Combustible).

Para ello son desaminados a cetocidos.

Los cetocidos son oxidados a Acil-CoA por la 2-cetocido deshidrogenasa

para usarlo como fuente de carbono.

UTILIZACIN DE AMINOCIDOS POR

BACTERIAS

Recambio protico Las protenas se degradan para dar de nuevo

aminocidos. Hay recambio de protenas permanente.

En el organismo los aminocidos que se gastan, se capturan a partir de los

aminocidos de las protenas hidrolizadas.

La ruptura de protenas ocasiona una prdida de nitrgeno (urea).

DEGRADACIN DE PROTENAS Y ELIMINACIN

DEL NITRGENO

Las protenas y pptidos no pueden entrar a la clula.

Se liberan enzimas que las hidrolizan.

Hay dos clases de enzimas proteolticas:

Endopeptidasas: Hidrolizan los enlaces peptdicos entre aminocidos

(aa) especficos en cualquier punto de toda la molcula.

Exopeptidasas: Catalizan la hidrlisis de enlaces peptdicos, uno a la

vez, a partir de los extremos del polipptido:

Carboxipeptidasas: Liberan aa desde el extremo libre carboxilo.

Aminopeptidasas: Liberan aa desde el extremo amino terminal.

DEGRADACIN DE PROTENAS POR

MICROORGANISMOS

Microorganismos que degradan anaerobicamente protenas o pptidos son

bacterias putrefactivas.

Son especies del gnero Clostridium (C. botulinum, C. perfringens,

C. sporogenes, C. tetani, C. tetanomorphum).

Son alcalfilas (se libera Amonaco o bases orgnicas).

Microorganismos Fermentativos y putrefactivos son antagnicos.

DEGRADACIN DE AMINOCIDOS EN

ANAEROBIOSIS

Los 20 aminocidos son degradados para producir (en su mayora)

intermediarios del TCA.

Algunos son Glucognicos o Cetognicos. Otros pertenecen a ambos.

Glucognicos: Dan lugar a Glucosa.

Cetognicos: Dan lugar a cuerpos cetnicos. La Leucina y Lisina son

exclusivamente cetognicos.

La degradacin se inicia con la separacin del Nitrgeno amnico del resto

de la molcula por medio de Transaminacin o Desaminacin oxidativa.

DEGRADACIN DE AMINOCIDOS


Glucognicos

Cetognicos

Los esqueletos de 10 aminocidos forman AcetilCoA que entra

directamente en el CAT.

De los 10 aa., 5 se degradan a AcetilCoA va piruvato.

Los otros 5 se convierten en AcetilCoA y/o AcetoacetilCoA, que se rompe

seguidamente para formar AcetilCoA.

Los 5 aa. que entran va Piruvato son Alanina, Glicina, Serina, Cistena y

Triptfano.

DESTINO DE LOS ESQUELETOS CARBONADOS

DE LOS AMINOCIDOS

Los aminocidos cetognicos, donan sus esqueletos de Carbono en forma

de acetoacetato, el mismo que se puede transformar posteriormente en

AcetilCoA:

Aminocidos que se transforman directamente en Acetoacetato: leucina,

lisina, fenilalanina, tirosina y triptofano

Esqueletos de C que son degradados directamente a AcetilCoA:

isoleucina, leucina y treonina.

Todos estos aminocidos son entonces precursores de cidos grasos o

cuerpos cetnicos (eucariotes).

DESTINO DE LOS ESQUELETOS CARBONADOS

DE LOS AMINOCIDOS

Alanina, cistena, glicina, serina y treonina se degradan a Piruvato.

Asparagina y aspartato se degradan a Oxaloacetato.

Arginina, glutamato, glutamina, histidina y prolina se degradan a

cetoglutarato.

Isoleucina, metionina y valina se degradan a SuccinilCoA.

Leucina y lisina se degradan a Acetoacetato y/o AcetilCoA.

Triptfano se degrada a Alanina y Acetil CoA.

Fenilalanina y tirosina se degradan a Fumarato y Acetoacetato.

PRODUCTOS DEGRADACIN DE AMINOCIDOS

Los aminocidos antes de pasar al CAT deben pasar por una desaminacin.

Pierden el grupo NH2 a travs de reacciones de transaminacin.

La desaminacin los grupos NH2 se convierten en NH3.

El NH2 lo recibe el 2cetoglutarato para formar cido glutmico.

Incorporacin de los tomos del amonaco a otros aminocidos o a la urea

(eucariontes)

Conversin de los esqueletos de carbono de los aminocidos en

intermediaros metablicos comunes.

ETAPAS COMUNES DE DEGRADACIN DE

AMINOCIDOS

En bacterias puede ocurrir cuatro mecanismos:

1.- Desaminacin Oxidativa dependiente de NAD(P) o FAD.

2.- Aminocido deshidrogenasas (Especficas).

3.- Transaminacin.

4.- Desaminacin No Oxidativa (Sern deshidratasa y Cisten desulfurilasa)

MECANISMOS GENERALES DE DESAMINACIN

Los aminocidos son desaminados:

Aminocido oxidasas (Reduccin del grupo prosttico Flavin)

Aminocido deshidrogenasas (Reduciendo NAD(P)+)

Las Oxidasas de aminocidos tienen una baja especificidad por el sustrato y

una sola enzima puede oxidar a diez diferentes aminocidos.

Debido a las paredes bacterianas, hay presencia de D y Laminooxidasas.

R CHNH2 COOH + H2O R CO COOH + NH3 + 2e + 2H+

DESAMINACIN OXIDATIVA

Las Aminocido deshidrogenasa oxidan L alanina o L glutamato a

Piruvato y a cetoglutarato, respectivamente.

Estas enzimas funcionan junto con las transaminasas.


Glutamato deshidrogenasa es

la enzima ms representativa.

Puede aceptar NAD+ o

NADP+.

El ion hidruro del Glutamato es

pasado al NAD+ y es seguida

de una reaccin de hidrlisis.

La reaccin es inhibida por

GTP y activada por ADP.

El amoniaco se convierte en

Urea.


Todos los aminocidos pueden ser desaminados por la accin de las

transaminasas y aminocido deshidrogenasas.

La Transaminacin es una reaccin enzimtica (Transaminasas) que

transfiere el grupo NH2 desde un aminocido a los cetocidos.

La mayora de los aminocidos son desaminados por Transaminaciones.

TRANSAMINACIN

Cuando se acoplan la transaminacin y deshidrogenacin de la Alanina o

Glutamato, un aminocido es oxidado a su correspondiente cetocido

reduciendo NAD(P)+.

TRANSAMINACIN

En la reaccin de transaminacin se requieren de una coenzima llamada

Fosfato de piridoxal (derivado de la Piridoxina o vitamina B6) para ejercer su

funcin.

Acta como transportador del grupo amino entre los sustratos, alternando

su estructura entre la forma aldehdica (piridoxal) y la forma aminada

(piridoxamina).

TRANSAMINACIN

El Fosfato de Piridoxal se une a la

transaminasa a travs del grupo amino.

Durante la reaccin es transferido al

Aminocido con formacin de una base

de Schiff, a partir de cuyo compuesto

se producen las modificaciones

qumicas que conducen a la

transaminacin.

TRANSAMINACIN

Mecanismo de transaminacin

TRANSAMINACIN

TRANSAMINACIN

Transaminasas de E. coli

TRANSAMINACIN

Transaminasa Interaccin con Gen

Aminocidos

aromticos Tyr, Phe Tyr B

Transaminasa A Asp, Glu, Tyr, Phe Asp C

Transaminasa B Glu, Leu, Ile Ilv E

Transaminasa C Ala, Val, 2-

aminobutirato Avt A

Las deshidratasas de aminocidos desaminan Serina y Treonina,

removiendo el grupo hidroxilo (OH) al mismo tiempo.

Tal como se menciono anteriormente, estas enzimas son referidas como

deshidratasas aunque ellas desaminen sus sustratos.

DESAMINACIN NO OXIDATIVA /

AMINOCIDO DESHIDRATASAS

Estas reacciones toman lugar en dos pasos, donde la primera reaccin es

de deshidratacin.

La biosntesis de la Isoleucina empieza con la desaminacin de la Treonina

a 2 cetobutirato que es catalizada por la Trenonina deshidratasa.

E. coli usa a la Treonina como fuente de carbono y energa.



El Aspartato y la Histidina son

desaminados por reacciones

similares a aquellas que son

catalizadas por deshidratasas.

A diferencia de las

deshidrogenas y oxidasas, la

Aspartasa y la Histidasa forman

dobles enlaces entre el 2 y 3er

carbono.

El Agua no toma parte en estas

reacciones.



La Transmetilasa remueve los grupos metilo de la Metionina para generar

Homocistena.

Desulfhidrasa remueve grupos amino y grupos sulfhidrilo simultneamente

de la Cistena y de Homocistena para producir Piruvato y 2 cetobutirato

respectivamente.

DESAMINACIN DE CISTENA Y METIONINA

Las desulfhidrasas son

conocidas principalmente

en bacterias aerobias y

anaerobias facultativas,

incluyendo E. coli,

Proteus vulgaris y

Bacillus subtillis.

La desaminacin de aminocidos produce varios cidos orgnicos.

DESAMINACIN DE AMINOCIDOS

AMINCIDO PRODUCTO

Glicina Glioxilato

Alanina /Cistena / Serina Piruvato

Aspartato / Asparagina Oxaloacetato , Fumarato

Glutamato / Glutamina 2 Cetoglutarato

Treonina / Metionina 2 Cetobutirato

Histidina Urocanato

Valina 2 Cetoisovalerato

Leucina 2 Cetoisocaproato

Isoleucina 2 Ceto 3 metilvalerato

El Piruvato, el Oxaloacetato, el fumarato y el 2cetoglutarato son

intermediarios del metabolismo central y pueden ser usados tanto para

propsitos catablicos como anablicos.

El Glioxalato es metabolizado a travs de la va de los cidos dicarboxlicos

y del ciclo del Glicerato o a travs de la va del 3hidroxiaspartato.

El Uroconato proviene de al desaminacon de la Histidina y es metabolizado

a Glutamato.

Un complejo de deshidrogenasa oxida 2cetobutirato a PropionilCoA que

es metabolizado a travs del ciclo del metilcitrato y otras rutas.

DESAMINACIN DE AMINOCIDOS

Paracoccus denitrificans convierte glioxilato a travs de la va del 3

hidroxiaspartato a OAA, un intermediario del TCA.

CICLO DE LOS CIDO DICARBOXLICOS

VA DEL GLICERATO

CATABOLISMO DE AMINOCIDOS


Bacterias entricas convierten Prolina a Glutamato a travs de reacciones

catalizadas por Prolina deshidrogenasa que tiene actividad de Prolina

oxidasa como de 1pyrrolin-5-carboxilato (P5C) deshidrogenasa.

FAD es reducido desde la primera reaccin por la oxidacin de la Prolina.

La misma enzima oxida P5C a Glutamato, reduciendo NAD+.


La Prolina deshidrogenasa est unida a membrana citoplasmtica cuando la

Prolina est disponible como donador de electrones.

Cuando hay ausencia de Prolina se inhibe la produccin de la Prolina

deshidrogenasa y de la Prolina permeasa.

CATABOLISMO

DE AMINOCIDOS La Arginina es metabolizada a

Glutamato o Succinato travs

de varias rutas dependiendo del

organismo.

Bacterias entricas, incluyendo

E. coli, comienzan la reaccin

con Arginina descarboxilasa (1).

Arginina oxidasa cataliza la

primera reaccin en

Pseudomonas putida (11).

CATABOLISMO

DE AMINOCIDOS Bacterias anaerobias como

Clostridium perfrigens y bacterias

cido lcticas desaminan

Arginina (6).

Bacillus subtilis remueve Urea de

la Arginina por accin de la

Arginasa (10).


Ruta degradativa

de Arginina,

Glutamato,

Glutamina,

Histidina y

Prolina a

cetoglutarato.


Los aminocidos con

cadena lateral como la

Valina, Leucina e

Isoleucina, son oxidados a

2cetoisovalerato, 2

cetoisocaproato y 2ceto

metilvalerato.

Todos ellos son despus

oxidados a sus

correspondientes Acil

CoA por el complejo 2

cetocido deshidrogenasa.

CATABOLISMO DE

AMINOCIDOS Acil CoA deshidrogenasa

forma un doble enlace entre

el carbono 2 y 3.

Los cidos grasos

insaturados con cadena

lateral son metabolizados por

separado a PropionilCoA,

AcetilCoA y Acetoacetato.

El Acetoacetato genera 2

AcetilCoA a travs de

AcetoacetilCoA.


La Lisina es convertida a

2cetoaminocaproato a

travs de una reaccin de

transaminacin para dar

AcetilCoA va 2

aminoadipato, GlutarilCoA

y AcetoacetilCoA.


La degradacin del Triptfano es la ms compleja entre el catabolismo de

los aminocidos.

La Triptfano2,3dioxigenasa inicia la reaccin abriendo el anillo de Pirrol

para formar Nformilquinurenina, la cual es degrada a Alanina y Antranilato.

Las dioxigenasas o oxidasas incorporan ambos tomos del oxgeno

molecular en el sustrato y estn involucradas en las siguientes reacciones.

Las Fenilalanina monooxigenasa oxida Fenilalanina a Tirosina que es

desaminada a p hidroxifenilpiruvato.


Fenilalanina

monooxigenasa Transaminasa


p OH fenilpiruvato oxidasa

Homogentisato

oxidasa

Maleilaceto

lactato

isomerasa

Fumaril

Acetoacetato

hidrolasa

El ciclo de la urea es una va metablica que se da en animales, plantas,

hongos y bacterias con las mismas reacciones pero significado biolgico

diferente, segn el organismo. En E. coli, se genera principalmente

Glutamato cuando hay altas concentraciones de NH4+ a

El Ciclo de la Urea permite obtener arginina que se reutiliza.

Los microorganismos utilizan el NH4+ a travs del sistema GS/GOGAT.

Las plantas y microorganismos poseen la enzima ureasa, que hidroliza la

urea en NH4+ y CO2.

CICLO DE LA UREA /

DESTINO DEL ION AMONIO (NH4+)

NH 3

CO2 + ATP Aspartato 2cetoglutarato Glutamato

Arginina otros aminocidos Nucletidos

Pirimidina pricos

urea aminoazcares

Trp His.

Carbamoil fosfato Asparagina Glutamato glutamina

CICLO DE LA UREA /


El ciclo de la urea es una va metablica que se da en animales, plantas,

hongos y bacterias con las mismas reacciones pero significado biolgico

diferente, segn el organismo.

El ciclo de la urea permite obtener arginina que se reutiliza.

Los microorganismos utilizan el NH4+ a travs del sistema GS/GOGAT.

Las plantas y microorganismos poseen la enzima ureasa, que hidroliza la

urea en NH4+ y CO2.

CICLO DE LA UREA /


El grupo amino de la Glutamina es transferido es transferido al 2

cetoglutarato por Glutamato sintasa (Glutamina:2oxoglutarato

aminotransferasa o GOGAT).

NH4+ (Ion Amonio): Animales u organismos Amonotlicos: La mayora de

vertebrados acuticos. Bacterias, arqueas y protistas

CICLO DE LA UREA /


cido rico: Animales Uricotlicos Algunos primates, pjaros y reptiles.

Urea: Animales Ureotlicos Animales terrestres y tambin los tiburones.

Mayora de los peces y moluscos de agua dulce.

CICLO DE LA UREA /


CICLO DE LA UREA /


Las plantas y los

microorganismos poseen

la enzima Ureasa que

hidroliza la Urea en el ion

amonio y CO2.

El NH4+ liberado es

reasimilado por el ciclo

GS/GOGAT

El NH4+ liberado por

desaminacion oxidativa del

glutamato es incorporado a

una molcula de CO2 con

gasto de ATP

Se produce el carbamoil

fosfato. Esta molcula se

condensa con la Ornitina y

produce Citrulina, dando

origen al Ciclo de la urea,

que incluye tambin la

sntesis de la arginina.

CICLO DE LA UREA /


El NH4+ liberado por desaminacion oxidativa del Glutamato ahora se

encuentra en la Citrulina.

La Citrulina obtiene del Aspartato el grupo amino y rinde Succinilarginina

con gasto de 2 ATP.

La conversin de Succinilarginina en arginina se logra por la liberacin de

un Fumarato, que puede ingresar al Ciclo de Krebs.

La Arginina es la principal fuente de almacenamiento nitrogenado en

plantas.

La enzima Arginasa permite que el ciclo se cierre con la liberacin de Urea.

CICLO DE LA UREA /


CICLO DE LA UREA /


Degradacin de protenas y eliminacin del nitrgeno (EUCARIOTES).

Recambio protico. Las protenas se degradan para dar de nuevo

aminocidos. Hay recambio de protenas permanente.

En el organismo los aminocidos que se gastan, se capturan los

aminocidos de las protenas hidrolizadas.

La ruptura de protenas ocasiona una prdida de nitrgeno (urea).

CICLO DE LA UREA /


CICLO DE LA UREA /

DESTINO DEL NH4+

En los mamferos

el manejo del

nitrgeno

producido por

oxidaciones de

aminocidos se

invierte en el Ciclo

de la Urea.

Se inicia en el

interior de las

mitocondrias de los

hepatocitos

CONEXIN ENTRE CAT Y CICLO DE LA UREA

Las Nucleasas hidrolizan DNA y RNA a Ribonucleosidos monofosfato y

desoxirribonucleosidos monofosfato.

Estos ltimos son hidrolizados a sus respectivas bases nitrogenadas y

ribosa (Desoxirribosa) por Nucleotidasa y Nucleosidasa.

Bases Pricas cido rico Urea cido glioxilico

Bases Pirimdicas Barbturatos cido malnico + Urea

DEGRADACIN DE BASES NITROGENADAS

Adenina y guanina

Tmina y citosina

En Eucariontes se degrada por una ruta en la cual el fosfato se pierde por la

accin de una 5 Nucleotidasa

En Procariontes:

Pirimidinas cido barbitrico Urea cido malnico

Prinas cido rico Alantona cido glioxlico

En Escherichia coli y Arthrobacter se utiliza una tercera va:

c. Alantnico Ureido glicolato + NH3 + CO2 cido glioxlico

Guanina o adenina pasan por formacin de Xantinas:

GMP (o AMP) Guanosina Guanina Xantina cido rico

DEGRADACIN DE BASES NITROGENADAS

La Guanina es desaminada a Xantina

en un solo paso de reaccin por la

Guanina desaminasa.

Adenina requiere 2 pasos para ser

oxidada a Xantina va Hipoxantina,

catalizada por Adenina desaminasa y

Xantina deshidrogenasa (Xantina

oxidasa).

La Hipoxantina y la Xantina son

oxidadas respectivamente por la

Xantina deshidrogenasa o por la

Xantina oxidasa, dependiendo del mo.

DEGRADACIN DE BASES PRICAS


La Xantina deshidrogenasa u oxidasa

pueden tambin participar en la

siguiente reaccin para producir Urato.

La Xantina deshidrogenasa usa

NAD(P)+ o ferredoxina como aceptor de

electrones.

La Xantina oxidasa convierte la Hipoxantina a Xantina, y la Xantina a cido

rico.

Es una protena dimrica de 130 Kd que se comporta como una mini

cadena de transporte de electrones.

Contiene un FAD, un complejo de Mo que va de Mo(VI) a Mo(IV) y dos

protenas FeS.

El aceptor de electrones es el O2, que es convertido a H2O2 , que

rpidamente es convertido a H2O por catalasas.



Degradacin por E. coli.

El Glioxilato es metabolizado a

travs del ciclo del Glicerato (cidos

dicarboxlicos).

CICLO DE LOS CIDO DICARBOXLICOS

VA DEL GLICERATO

Bacterias que crecen en fuentes

de carbono que NO son

metabolizables a piruvato o PEP

(Acetato) no pueden rellenar los

intermediarios del CAT a travs de

secuencias anaplerticas pero

requieren de OAA para producir

PEP para gluconeognesis.

El camino es a travs del ciclo del

Glioxilato.

CICLO DEL GLOXILATO

El catabolimos de los nucletidos de

Pirimidinas comineza con la hidrlisis para

formar los nuclesidos correspondiente y Pi,

por accin de la Nucleotidasa.

DEGRADACIN DE BASES PIRIMDICAS

El catabolismo de las pirimidinas puede terminar con compuestos

intermediarios del metabolismo central.

El carbamolaminocido resultante se sigue hidrolizando a NH4+, HCO3

y un aminocido.

La alanina (Uracilo) y el aminoisobutirato (Timina) se pueden convertir

en AcetilCoA y en SuccinilCoA respectivamente CAT.

En las bacterias puede usarse la alanina en la sntesis de Pantotenato,

constituyente de la Coenzima A.

DEGRADACIN DE BASES PIRIMDICAS

metabolismo carbonado

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