UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALAFACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS Y FARMACIAESCUELA DE QUIMICA BIOLOGICADEPARTAMENTO DE MICROBIOLOGIA

METABOLISMO BACTERIANO

1. GENERALIDADES.El metabolismo de cualquier organismo puede ser subdividido en dos grandes categorías. Vías de

degradación o productores de energía (llamados en conjunto catabolismo) y las vías de biosíntesis o utilizadoras de energía (llamadas en su conjunto anabolismo). El crecimiento es resultado de un enlace estrecho entre el catabolismo y el anabolismo; parte de la energía derivada de las vías de degradación es utilizada para que se puedan efectuar los procesos de biosíntesis. Parte de la energía también es utilizada para el transporte activo de moléculas al interior de la célula y para motilidad. Otra parte se pierde como calor.

1.1 Clasificación Metabólica de las Bacterias:Para que una bacteria pueda crecer, debe estar situada en un medio adecuado para satisfacer sus necesidades de crecimiento. Este medio debe proveer, a la bacteria, de los elementos químicos para la síntesis de protoplasma y de una fuente de energía para esta síntesis. Las bacterias se pueden clasificar en diferentes categorías, dependiendo de la fuente de energía y de carbono que utilizan para su crecimiento .

Con base a la naturaleza de su fuente de energía, las bacterias se clasifican en fotótrofas y quimiótrofas. Las fotótrofas utilizan la luz como fuente de energía y las quimiótrofas utilizan reacciones de óxido-reducción. Las fotótrofas se pueden subdividir en fotolitótrofas y fotoorganótrofas dependiendo del tipo de compuestos que utilizan como donador de electrones. Las fotolitótrofas utilizan compuestos inorgánicos como fuente de electrones para fijar CO2 y las fotoorganótrofas utilizan compuestos orgánicos

como fuente de electrones para procesos de síntesis a partir de compuestos orgánicos, utilizando la energía de la luz para síntesis de ATP. Existen dos diferencias importantes entre las plantas y bacterias fotótrofas. Las plantas fotótrofas son aeróbicas y utilizan el agua como fuente de electrones para fijar CO 2, con producción

de oxígeno. Las bacterias fotótrofas anoxigénicas no utilizan el agua como donador de electrones y por consiguiente no producen ni utilizan oxígeno, de hecho la mayoría de ellas son anaeróbicas estrictas. Sin embargo un grupo importante de bacterias fotótrofas oxigénicas son las cianobacterias, las cuales al igual que las plantas utilizan el agua como fuente de electrones para fijar CO2, con producción de oxígeno.

Las bacterias quimiótrofas se pueden subdividir en base a la naturaleza química de los donadores de electrones que son oxidados para obtener energía. Los quimioorganótrofas requieren moléculas orgánicas complejas, tales como glucosa, como donadores de electrones; las quimiolitótrofas utilizan compuestos inorgánicos.

Las bacterias quimiolitótrofas son organismos aeróbicos estrictos. Las Nitrosomonas, que oxidan amoníaco, y las Nitrobacter, que oxidan nitrito, juegan un papel importante en la fertilidad del suelo ya que efectúan la conversión de amoníaco a nitrato, el que constituye una fuente importante de nitrógeno para las plantas.

Nitrosomonas: NH3 + 3/2 02-------------->HNO2 + H20

Nitrobacter: HNO2 + 1/2 02--------------->HNO3

Especies de Thiobacillus pueden utilizar azufre elemental como donador de electrones:

S + ½ O2 + H2O -------------------- H2SO4

Todas estas especies son quimiolitótrofas estrictas, es decir que sólo pueden obtener energía en esa forma. Algunas especies de Pseudomonas son quimiolitótrofas facultativas, capaces de oxidar al hidrógeno molecular, pero también pueden crecer utilizando compuestos orgánicos como donadores de electrones:

H2 + 1/2 02----------->H20

En base a la naturaleza química de su fuente de carbono, las bacterias se pueden dividir en autótrofas y heterótrofas. Las bacterias autótrofas utilizan CO2 como única fuente de carbono y a partir de él sintetizan

todas sus biomoléculas. Las bacterias heterótrofas deben obtener su carbono a partir de compuestos orgánicos en forma relativamente compleja y reducida. Las autótrofas son relativamente independientes, mientras que las heterótrofas deben subsistir de los productos formados por otras células. La utilización de CO2 requiere energía y un donador de electrones. Las bacterias autótrofas pueden utilizar la luz

(fotolitótrofas) o la oxidación de compuestos inorgánicos (quimiolitótrofas) como fuente de energía y compuestos inorgánicos como donadores de electrones. Las bacterias quimiolitótrofas, por consiguiente, utilizan los mismos compuestos inorgánicos como fuente de energía y como donadores de electrones para fijar CO2.

1.2 Propiedades Termodinámicas de los Seres Vivientes:

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La segunda ley de la termodinámica indica que en una reacción liberadora de energía, la energía total liberada (H) nunca puede ser utilizada totalmente para efectuar trabajo, ya que parte de ella se pierde en forma de aumento de la entropía.

La energía libre potencialmente disponible para efectuar trabajo (G) está dada por la reacción:H = E cuando PV = 0

H = G + TS : G = H- TSG = E - TS

En la cual T S expresa el aumento en entropía. Los organismos vivientes están sujetos a la segunda ley y, por consiguiente, es la energía libre ( G) liberada en los procesos metabólicos productores de energía la que está potencialmente disponible para que se puedan efectuar las reacciones de biosíntesis, que consumen energía.

De toda la energía liberada del catabolismo, únicamente una parte es utilizado en los procesos que requieren energía. Por ejemplo, en la fermentación alcohólica de la glucosa, la energía libre producida de acuerdo a la ecuación.

C6H1206 2CO2 + 2C2H5OH

Es de 56 kcal, pero de estos sólo cerca de 16 kcal son utilizados en reacciones que requieren energía, lo que indica que la eficiencia de la fermentación alcohólica es aproximadamente 29%, perdiéndose, en forma de calor, el resto de la energía libre producida.

1.3 Naturaleza química del acoplamiento entre los procesos que liberan energía y aquellos que la consumen:

La función de todos los procesos que liberan energía es producir ciertos compuestos orgánicos que contienen un nivel alto de energía, en forma de "uniones de alta energía". Estos compuestos sirven como transportadores de energía ya que su contenido potencial de energía puede ser utilizado, en reacciones acopladas, para los distintos tipos de trabajo celular (biosíntesis, transporte a través de la membrana celular y locomoción).

En el caso de la biosíntesis del material celular, existen ciertas etapas que requieren energía, la que es proporcionada por los compuestos orgánicos con "uniones de alta energía" provenientes del catabolismo. Estos compuestos que sirven como transportadores de energía, acoplando los procesos catabólicos y anabólicos, son el ATP y los nucleótidos de piridina reducidos (especialmente NADPH).

La figura No. 1, muestra el papel del ATP como transportador de energía entre el catabolismo y los diferentes procesos que utilizan energía en las bacterias. En este caso la transferencia de energía es en forma de grupos fosfato que tienen enlaces ricos en energía. Otra forma de transferencia de energía es por medio de electrones. En algunas etapas del anabolismo se requieren electrones (en forma de átomos de hidrógeno) para efectuar la biosíntesis de biomoléculas con estado alto de reducción (por ejemplo ácidos grasos y colesterol). Estos electrones son liberados en las reacciones de oxidación, que ocurren en el catabolismo, y son transportados por coenzimas transportadores de electrones, especialmente el NADP.

2. Catabolismo Bacteriano:

El catabolismo bacteriano representa aquella parte del metabolismo que tiene como propósito la producción de energía química ya sea que la fuente de energía sea la luz, compuestos orgánicos o compuestos inorgánicos. Entre un 50 y un 90% de la energía producida es utilizada para síntesis y crecimiento. La energía también se requiere para el transporte activo de moléculas al interior de la célula y para su motilidad.

Existen tres formas principales, por medio de las cuales las bacterias pueden producir energía:

a. Producción anaeróbica o fermentaciónb. Producción aeróbica o respiraciónc. Producción fotosintética (cíclica y no cíclica).

3. Producción Anaeróbica o Fermentación:

La fermentación es un proceso metabólico productor de energía en el cual compuestos orgánicos sirven como donadores de electrones y también como aceptores de ellos. Los compuestos que efectúan estas funciones usualmente son dos diferentes metabolitos, derivados de un substrato fermentable (como un carbohidrato por ejemplo). En la fermentación, al substrato produce una mezcla de productos finales, algunos de los cuales están más oxidados que el substrato y otros más reducidos. Los carbohidratos son los principales substratos para la fermentación, pero también otros compuestos pueden ser fermentables, tales como ácidos orgánicos, aminoácidos, purinas y pirimidinas.

Muchos de los organismos que obtienen energía por medio de fermentación son anaerobios estrictos. Otros, sin embargo, son anaerobios facultativos, capaces de crecer en presencia o ausencia de oxígeno. En la

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mayoría de los casos estos anaerobios facultativos cambian su metabolismo al ser expuestos al aire, utilizando la respiración como forma de obtener energía.

Los procesos fermentativos siempre mantienen un balance estricto de óxido-reducción, es decir que el promedio del nivel de oxidación de los productos finales es idéntico al nivel de oxidación del substrato fermentado. En otras palabras, el número de equivalentes molares de carbono, hidrógeno y oxígeno de los productos finales es el mismo que el del substrato. Por ejemplo en el caso de la fermentación alcohólica:

C6H12O6------------------ 2 CO2 + 2C2H5OH

Substrato Productos Finales

La producción de energía por medio de la fermentación es pobre comparada con la disponible en el substrato. Por ejemplo, en la fermentación homoláctica de la glucosa se liberan 47 kilocalorías por mol, mientras que la oxidación total de la glucosa a CO2 y H20 produce 686 kilocalorías por mol, por

consiguiente la fermentación de la glucosa sólo libera un 7% de la energía disponible en la molécula.

Además, por cada mol de glucosa fermentada se producen 2 moles de ATP (G01 = +7.3 kcal/mol), por lo que únicamente un 2% de la energía disponible en la molécula se conserva, en forma de energía utilizable por la célula.

3.1 Fermentación de Carbohidratos:

La vía de Embden-Meyerhof (glucólisis) es la vía más común utilizada por las bacterias para fermentar azúcares. Existen otras vías diferentes a la de Embden-Meyerhof, que son utilizadas por unos pocos géneros de bacterias, tales como Leuconostoc.

3.1.1 Fermentaciones por la vía de Embden- Meyerhof:

Los monosacáridos más abundantes en la naturaleza son glucosa, fructosa, galactosa y manosa; todos ellos son convertidos en fructosa 6-fosfato después de su entrada a la célula y luego fermentados por las enzimas de la vía de Embden-Meyerhof. Existen diferentes tipos de fermentaciones que se diferencian por los productos finales que producen. Entre las principales fermentaciones que ocurren a través de la vía de Embden-Meyerhof podemos mencionar:

a) Fermentación homolacticab) Fermentación productora de solventesc) Fermentación de coliformesd) Fermentación propiónica

a) Fermentación Homoláctica: Esta fermentación resulta en la total conversión de hexosas a ácido láctico (Figura No. 2)

C6H1206-------------- 2CH3CHOHCOOH

Todas las especies de Streptococcus y la mayoría de las especies en la familia Lactobacillaceae poseen este tipo de fermentación. Muchas bacterias anaerobias y facultativas producen ácido láctico a partir de glucosa, pero usualmente también producen otros productos. Se produce dos moles de ATP por mol de glucosa fermentada.

b) Fermentación Productora de Solventes: Los bacilos formadores de esporas de los géneros Bacillus y Clostridium fermentan azúcares con la producción de solventes orgánicos, tales como alcohol butílico, acetona, alcohol isopropílico y alcohol etílico (Figura No. 3). Los productos de la fermentación varían con las especies y el pH. La producción de ATP es ligeramente por encima de 2 moles por mol de glucosa, obteniéndose éste exceso en la etapa de formación de acetato a partir de piruvato. Esta fermentación fue utilizada para la producción comercial de solventes, pero fue sustituída por procesos sintéticos, que son más baratos.

c) Fermentación Coliforme: La fermentación de azúcares por especies de la familia Enterobacteriaceae produce una variedad de productos (Figura No. 4). El nombre de esta fermentación se debe a que su estudio fue estimulado por la necesidad de distinguir a Escherichia coli, como indicador de contaminación fecal, de bacterias saprofíticas, principalmente Klebsiella y Enterobacter. Estas últimas bacterias, a diferencia de E. coli, producen acetoína y 2,3 - butanediol durante la fermentación. La acetoína da una reacción positiva en la prueba de Voges-Proskauer. Como estas bacterias convierten a una gran porción del azúcar a acetoína y 2,3 - butanediol, una cantidad menor queda disponible para producir ácidos lácticos y succínico, que son los productos principales de la fermentación por E. coli.

Después de la fermentación por E. coli, el pH del medio es suficientemente ácido para producir un viraje del indicador rojo de metilo a un color rojo, lo que no ocurre con Klebsiella y Enterobacter. Especies de Shigella fermentan azúcares por otra variación del esquema de la Figura No. 4, produciendo ácidos pero no gas.

d) Fermentación Propiónica: La fermentación de glucosa por especies de Propionibacterium produce ácido propiónico, ácido acético, CO2 y, ocasionalmente, ácido succínico.

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3C6H1206------------- 4CH3CH2COOH + 2CH3COOH + 2C02 + 2H20

Los productos varían con las especies y las condiciones de fermentación. Esta fermentación tiene importancia comercial en la producción del queso suizo.

3.1.2. Fermentación por vías diferentes a la de Embden-Meyerhof:

a) Fermentación Heteroláctica: Leuconostoc fermenta la glucosa con producción de CO2, alcohol

etílico y ácido láctico:

C6H1206----------------- CO2 + CH3CH2OH + CH3CHOHCOOH

El CO2 se origina del carbono 1 de la glucosa, en contraste a la fermentación vía Embden-

Meyerhof, en la cual el CO2 se forma a partir del grupo carboxílico del piruvato (que corresponde a los

carbonos 3 y 4 de la glucosa).

La vía de fermentación de azúcares por las bacterias heterolácticas se muestran en la figura No. 5. La reacción clave es el rompimiento fosforolítico de la xilulosa 5 fosfato en acetilfosfato y gliceraldehido 3-fosfato.

La producción de energía en este tipo de fermentación es aún más pobre que en la fermentación homoláctica. Un ATP es utilizado para fosforilar la glucosa y dos ATP se recobran en la conversión de gliceraldehido 3-fosfato a ácido láctico, lo que da una producción neta de un mol de ATP por mol de glucosa.

La vía heteroláctica está limitada a Leuconostoc y a algunas pocas especies de Lactobacillaceae. Acetobacter utiliza una reacción similar al metabolizar la fructosa 6-fosfato para formar acetilfosfato y eritrosa 4-fosfato.

b) Fermentación por Zymomonas mobilis : Otro tipo de fermentación, por una vía diferente a la de Embden-Meyerhof, es la producida por Zymomonas mobilis, el organismo responsable de la fermentación del jugo de cacto, para producir el pulque. Los productos de la fermentación son CO2 y alcohol etílico:

C6H1206----------------- 2CO2 + 2CH3CH2OH

Los productos son los mismos obtenidos en la fermentación de la glucosa por levaduras. Sin embargo, el CO2 se forma a partir de los carbonos 1 y 4 de la glucosa, en la fermentación por Zymomonas y

a partir de los carbones 3 y 4 de la glucosa, en la fermentación por levadura. La fermentación por Zymomonas representa a la vía de Entner-Doudoroff en condiciones anaeróbicas.

3.2 Fermentación de Aminoácidos:

Algunas bacterias anaeróbicas y facultativas fermentan aminoácidos para obtener energía. Al igual que la fermentación de azúcares, este tipo de fermentación es un proceso que produce relativamente poca energía. Clostridium tetanomorphum fermenta el ácido glutámico para producir ácidos orgánicos, CO2 y

amoníaco (Figura No. 6).

La fermentación es una vía complicada que produce un mol de ATP por mol de ácido glutámico fermentado.

La producción de ácidos orgánicos de cadena corta, tales como ácido butírico, es característica de las fermentaciones de aminoácidos y estos son en parte responsables del olor característico de la putrefacción. Otros aminoácidos que son fermentados por bacterias son la alanina, arginina, glicina, histidina y otros.

Algunas especies de Clostridium fermentan pares de aminoácidos por la reacción de "Stickland", una fermentación acoplada en la cual un aminoácido es oxidado y el otro es reducido. Varios aminoácidos son capaces de servir como donadores de electrones en la reacción de Stickland, pero los más comunes son los aminoácidos alifáticos: alanina, valina, leucina e isoleucina.

Los donadores de hidrógeno son oxidados a un ácido graso de 1 átomo de carbono menos, CO2 y

amoníaco (Figura No. 7). Los aceptores más comúnes de hidrógeno son la glicina, que es reducida a ácido acético y amoníaco, y la prolina, que es reducida a ácido delta-aminovalérico. La reducción de glicina resulta en la formación de un mol de ATP por mol de glicina, pero en la reducción de prolina no se forma ATP.

La oxidación del donador de hidrógeno probablemente resulta en la producción de un mol de ATP por mol de donador de hidrógeno: por consiguiente, la producción total de ATP, para la reacción indicada en la Figura No. 7, sería de tres.

4. Producción aeróbica o respiración:

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La respiración se puede definir como un proceso metabólico productor de energía, en el cual compuestos orgánicos o inorgánicos sirven como donadores de electrones y el oxígeno molecular como el aceptor final de estos electrones. Una característica distintiva de la mayoría de los procesos respiratorios es la presencia en la célula de una serie de transportadores específicos de electrones, que constituyen la llamada cadena transportadora de electrones. Los electrones removidos durante la oxidación de los sustratos, entran a la cadena y pasan a través de una serie de transportadores intermediarios hasta llegar finalmente al oxígeno, que es reducido a agua. La existencia de un aceptor externo de los electrones permite una oxidación completa de los sustratos orgánicos hasta CO2. El cambio de energía libre para la oxidación completa de un

compuesto orgánico es mucho más grande que el de su fermentación. Una cantidad considerable de ATP es generado como consecuencia del transporte de electrones a través de la cadena respiratoria, proceso que se conoce con el nombre de fosforilación oxidativa. Como consecuencia de esto, el rendimiento de ATP por mol de substrato, es por ejemplo: la fermentación homoláctica de la glucosa produce 2 moles de ATP por mol de glucosa fermentada, mientras que su oxidación completa, a través del proceso de respiración produce 38 moles de ATP por mol de substrato oxidado, lo que es mucho mayor que el obtenible por fermentación del mismo substrato.

La respiración toma lugar en las bacterias aeróbicas y en las facultativas. Bacterias anaeróbicas pueden consumir oxígeno bajo condiciones aeróbicas, pero el producto no es agua ya que se produce peróxido de hidrógeno, el que se descompone espontáneamente en oxígeno y agua.

El sistema transportador de electrones de las bacterias está localizado en la membrana celular y es semejante al sistema mitocondrial, con la excepción de que en algunas especies la vitamina K sustituye a la coenzima Q.

Estos sistemas tienen dos funciones básicas: (1) aceptar electrones de un donador y transferirlos a un aceptor; y (2) conservar parte de la energía liberada durante el transporte de electrones para la síntesis de ATP. Durante el transporte de electrones se produce ATP por fosforilación oxidativa. La producción de ATP está directamente ligada al establecimiento de una fuerza motriz de protones a través de la membrana, de modo que las reacciones del transporte sirven para establecer este estado energético de la membrana.

El catalizador de la conversión de la fuerza motriz de protones en ATP es un gran complejo enzimático situado en la membrana llamado ATP sintetasa. La síntesis de ATP por la ATPasa se denomina fosforilación oxidativa en los sistemas respiratorios y fotofosforilación en los organismos fototróficos.

4.1 RESPIRACION y TRANSPORTADORES DE ELECTRONES ASOCIADOS A MEMBRANAS

La fermentación de la glucosa tiene lugar mediante la glucolisis, un proceso que ocurre en ausencia de aceptores de electrones exógenos. En la fermentación, se libera una pequeña cantidad de energía y sólo se sintetizan unas cuantas moléculas de ATP. Esta escasa liberación de energía puede comprenderse considerando los principios formales de las reacciones redox. Las fermentaciones proporcionan poca energía por dos razones: (1) los atómos de carbono del compuesto inicial están oxidados sólo parcialmente ; y (2) la diferencia entre los potenciales de reducción del donador primario de electrones y del aceptor final de electrones es relativamente pequeña. Sin embargo, si el 02 o algún otro aceptor final estuviera presente, todas

las moléculas de sustrato podrían oxidarse hasta C02 y sería posible obtener teóricamente, un rendimiento en

ATP mucho mayor. El proceso por el que un compuesto se oxida usando 02 como aceptor final de electrones,

como se mencionó anteriormente, se llama respiración aeróbica.

La exposición sobre la respiración aeróbica se centra en las transformaciones que afectan tanto al carbono como a los electrones: (1) las vías bioquímicas implicadas en la transformación del carbono orgánico a CO2;

y (2) el modo en que los electrones originan síntesis de ATP a expensas de la fuerza motriz de protones. Comenzaremos con la exposición del flujo de electrones.

4.1.1 Sistemas transportadores de electrones.Los sistemas de transporte de electrones están asociados a membranas. Estos sistemas tienen dos funciones básicas: (1) aceptar electrones de un donador y transferirlos a un aceptor; y (2) conservar parte de la energía liberada durante el transporte de los electrones para la síntesis de ATP. Existen varios tipos de enzimas de oxidación-reducción implicadas en el sistema de transporte de electrones: (1) NADH deshidrogenasas, que transfieren átomos de hidrógeno desde el NADH; (2) transportadores que contienen riboflavina, generalmente llamados flavoproteínas [que contienen flavín mononucleótido (FMN) o flavín-adenina dinucleótido (FAD)]; (3) proteínas con hierro y azufre; y (4) citocromos, que son proteínas que contienen un anillo porfirínico llamado hemo. Además, se conocen transportadores no proteicos, como las quinonas solubles en lípidos que pueden difundir libremente por la membrana transfiriendo electrones, por lo general desde las proteínas con hierro y azufre a los citocromos. Se estudiarán cada uno de esos componentes del sistema de transporte de electrones con más detalle.

Las NADH deshidrogenasas son proteínas unidas a la cara interna de la membrana celular. Aceptan átomos de hidrógeno procedentes del NADH que se genera en varias reacciones celulares y pasan los átomos de hidrógeno a las flavoproteínas.Las flavoproteínas contienen un derivado de la riboflavina; la porción flavínica, que está unida a una proteína, actúa como grupo prostético que alternativamente se reduce cuando acepta átomos de hidrógeno y se oxida cuando cede electrones. Hay que destacar que las flavoproteínas aceptan átomos de hidrógeno y ceden electrones; más tarde consideraremos lo que sucede con los protones. En las células se encuentran normalmente dos tipos de flavinas, flavín mononucleótido y flavín-adenin dinucleótido, en el que el FMN se

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unea a la ribosa y a la adenina mediante un segundo fósfato. La riboflavina, también denominada vitamina B2, es un factor de crecimiento que necesitan algunos organismos.

Los Citocromos son proteínas que contienen como grupo prostético un anillo porfirínico que contiene hierro (grupo hemo). Los citocromos sufren oxidaciones y reducciones mediante la pérdida o ganancia de electrones aislados por parte del átomo de hierro situado en el centro de la molécula.

4.1.2 Conservación de la energía a partir de la fuerza motriz de protones.

Durante el transporte de electrones se produce ATP por fosforilación oxidativa. La producción de ATP está directamente ligada al establecimiento de una fuerza motriz de protones a través de la membrana, de modo que las reacciones del transporte de electrones sirven para establecer este estado energético de la membrana. Consideraremos los detalles de este proceso.

La fuerza motriz de protones: quimioosmosis:Para entender el modo en que el transporte de electrones determina la síntesis de ATP debemos considerar antes la orientación del sistema de transporte de electrones en la membrana. En la estructura general de la membrana las proteínas se presentan embebidas en la bicapa lipídica, y su disposición es tal que muchas de ellas tienen acceso tanto a la cara externa como a la cara interna de la membrana (es decir, son proteínas transmembranales).

Los transportadores de electrones se orientan en la membrana de tal modo que durante el proceso del transporte tiene lugar una separación de protones y electrones a través de la membrana. Los átomos de hidrógeno como el NADH, se desdoblan en electrones y protones, y los primeros son transportados a través de la cadena por transportadores específicos mientras los protones son bombeados fuera de la célula al entorno (al periplasmas en bacterias Gram negativas), por lo que se origina una ligera acidificación de la superficie externa de la membrana. Al final de la cadena de transporte, los electrones son recogidos por el aceptor final (el 02 en el caso de la respiración aeróbica) que se reduce.

Cuando el 02 se reduce a H20, necesita H+ para completar la reacción y estos protones derivan de la

disociación del agua en H+ y OH-. El empleo de H+ en la reducción del 02 a H20 origina una acumulación

neta de OH- en la cara interna de la membrana. A pesar de su pequeño tamaño, como presenta carga, ni H+ ni

OH- pueden atravesar libremente la membrana y, en consecuencia, no se puede restaurar espontáneamente el equilibrio. Por tanto, aunque se considera que el transporte de electrones hasta el 02 produce agua, lo que

realmente produce son los componentes del agua H+ y OH-, que se acumulan en lados opuestos de la membrana.

El resultado final en términos netos es la generación de un gradiente de pH o potencial electroquímico a través de la membrana, con la porción interna citoplásmica eléctricamente negativa y alcalina, y la porción externa de la membrana cargada positivamente y ácida. Este gradiente de pH y potencial electroquímico origina que la membrana posea un cierto estado energético (como una batería), y parte de esta energía eléctrica puede ser conservada por la célula.

El estado energético de una batería se expresa como su fuerza electromotriz (en voltios) y, de modo análogo, el estado energético de una membrana se expresa como la fuerza motriz de protones o fuerza protomotriz (también en voltios). Tal estado energético inducido como resultado de los procesos de transporte de electrones puede usarse directamente para producir trabajo útil, como el transporte de iones o la rotación del flagelo, o bien puede utilizarse para dirigir la formación de enlaces fosfato de alta energía en ATP como describiremos más adelante. La idea de que un gradiente de protones conduce a la síntesis de ATP fue propuesta inicialmente en 1961 como la teoría quimiostática por el científico inglés Peter Mitchell, quien más tarde recibió el Premio Nobel por esta importante contribución.

Generación de la fuerza motriz de protonesLos pasos esenciales en la formación de la fuerza motriz de protones implican las actividades de las enzimas flavínicas, las quinonas y el complejo citocromo bc1. La serie de reacciones de oxidación-reducción que

tiene lugar durante el transporte de electrones puede analizarse examinando secuencialmente cada par de

transportadores. Después de la cesión de dos átomos de hidrógeno del NADH al FAD, se liberan dos H+

cuando el FADH cede dos electrones (solamente) a una proteína con hierro y azufre que forma parte del Complejo I,. Cuando esta proteína con hierro no hémico reduce la coenzima Q, se toman dos protones de la disociación del agua en el citoplasma. La coenzima Q pasa un electrón cada vez al complejo del citocromo bc1, (Complejo III) . El complejo del citocromo bc1 está formado por diversas proteínas que contienen varios

hemos o centros metálicos, con dos tipos de hemo b (bL y bH), un tipo de hemo c (c1) y una proteína Fe/S

(llamada la proteína de Rieshe). El complejo bc1, está presente en la cadena de transporte de electrones de la

mayor parte de los organismos capaces de respirar. También desempeña una función importante en el flujo de electrones fotosintéticos.La principal función del complejo citocromo bc1 es transferir electrones de las quinonas al citocromo c, de

modo acoplado a la translocación de protones a través de la membrana originando la acumulación de OH- en el citoplasma y de protones en la superficie externa de la membrana. Los electrones viajan del complejo bc1 a un citocromo c externo que se encuentra en el periplasma unido a la cara externa de la membrana, y de aquí

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hasta el complejo citocromo aa3 de elevado potencial (Complejo IV). Este último constituye la oxidasa

terminal del sistema y reduce el 02 a H2O en el paso final del transporte de electrones (ver Figura).

La descripción que se presentó, es solamente una de las muchas secuencias de transportadores que se conocen en distintos organismos. Sin embargo, algunas propiedades son características de todas las cadenas de transporte de electrones y pueden resumirse como sigue: (1) presencia de una serie de transportadores de electrones asociados a membrana y dispuestos en orden que sigue el incremento de valores positivos de E ó; (2) una alternancia de transportadores de <<sólo-electrones>> y transportadores de <<sólo-átomos de hidrógeno>> en la cadena y (3) la generación de una fuerza motriz de protones a consecuencia de la separación de carga a través de la membrana, ácida fuera y alcalina dentro. Es la fuerza motriz de protones la que realmente suministra ATP.

4.2 Metabolismo aeróbico de carbohidratos:

La forma más común para el metabolismo aeróbico de carbohidrato, en bacterias, es una combinación de la vía de Embden-Meyerhof y el ciclo de Krebs. Sin embargo, existen otras vías y muchas bacterias aeróbicas metabolizan las hexosas a través de la vía del fosfogluconato. Es muy común que un organismo utilice tanto la vía de Embden-Meyerhof como la vía del fosfogluconato para metabolizar sus carbohidratos, debido a que ambas vías proporcionan intermediarios para la biosíntesis. La Vía deEmbden-Meyerhof proporciona intermediarios de 3 y 6 átomos de carbono, mientras que la vía del fosfogluconato proporciona intermediarios de 4,5 y 7 átomos de carbono.

En la vía del fosfogluconato, hexosas fosfato son oxidadas a CO2 y pentosas fosfato, luego a partir

de las pentosas fosfato, se vuelven a sintetizar hexosas fosfato, por medio de las enzimas transcetolasa y transaldolasa. El efecto neto de un ciclo de la vía del fosfogluconato es la oxidación de 3 moles de glucosa-6-fosfato a 3 moles de CO2 y la síntesis de 2 moles de fructosa 6-fosfato y un mol de gliceraldehido 3-fosfato,

los que pueden entrar nuevamente a la vía. También se producen seis moles de NADPH que pueden ser oxidados por la cadena transportadora de electrones o bien ser utilizados para llevar a cabo etapas de reducción en los procesos de biosíntesis.

La vía en Entner-Doudoroff se encuentra únicamente en bacterias y algunos gusanos parásitos, lo

que indica que no sobrevivió en el proceso evolutivo (Figura No. 8) Pseudomonas oxidan a la glucosa por medio de esta vía y otras bacterias la utilizan para el metabolismo de ácidos glucónicos y urónicos.

Pseudomonas no utilizan la vía de Embden Meyerhof y en su lugar utilizan tanto la vía de Entner-Doudoroff como la del fosfogluconato, para la degradación de hexosas y para síntesis. En la vía de Entner-Doudoroff, la glucosa es oxidada a 6-fosfogluconato, el cual es deshidratado a 2 ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato y este último es convertido en piruvato y gliceraldehído 3-fosfato, los que son oxidados por el ciclo de Krebs.

4.3 Ciclo de Krebs:

El ciclo de Krebs es utilizado para la oxidación aeróbica de los productos del metabolismo de carbohidratos, aminoácidos y lípidos. Las hexosas son oxidadas a piruvato, el cual es oxidado a acetil-CoA y este entra al ciclo por medio de una condensación con oxalacetato para formar citrato. Los ácidos grasos, formados por la hidrólisis de triglicéridos, son oxidados a acetil-CoA. Los aminoácidos son oxidado acetilCoA, cetoglutarato, succinato, fumarato y oxalacetato, todos los cuales entran directamente al ciclo.

5. Alternativas catabólicas.A continuación se resumen los mecanismos por los que las células pueden generar energía por métodos distintos a la fermentación y a la respiración aeróbica. Estos son la respiración anaeróbica, la quimiolitotrofía y la fototrofía.

5.1 Respiración anaeróbica.Un método alternativo de generación de energía es una modificación de la respiración en la que se usan aceptores de electrones diferentes del oxígeno. A diferencia de la respiración aeróbica, estos procesos se denominan respiración anaeróbica. Los aceptores de electrones utilizados en la respiración anaeróbica son

nitratos (NO3-), hierro férrico (Fe3+), sulfatos (SO4

2-), carbonatos (C032-) e incluso algunos compuestos

orgánicos. Debido a sus posiciones en la torre de electrones (ninguno de estos aceptores tienen un E ó tan electropositivo como el paro 02/H2O) , se libera menos energía cuando se usan estos aceptores en vez de

oxígeno. Sin embargo, el uso de estos aceptores alternativos permite a los microorganismos respirar en ambientes que carecen de oxígeno. Como la solubilidad del 02 en el agua es más bien baja y se consume tan

rápidamente por su elevada demanda como aceptor de electrones, la respiración anaeróbica tiene una importancia ecológica notable.

5.2 Quimiolitotrofía.Un segundo modo de generar energía se basa en el uso de compuestos inorgánicos en vez de orgánicos. Los organismos capaces de usar compuestos inorgánicos como donadores de electrones constituyen una clase de quimiótrofos y se llaman quimiolitotrofos. Entre estos donadores inorgánicos encontramos sulfuro de

hidrógeno (H2S), gas hidrógeno (H2), hierro ferroso (Fe2+) y amoniaco (NH3).

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El metabolismo de los quimiolitotrofos implica normalmente procesos de respiración aeróbica como los que acabamos de describir pero que usan una fuente de energía inorgánica en vez de orgánica. Los quimiolitótrofos tienen componentes para el transporte de electrones similares a los de los quimioorganótrofos y originan una fuerza motriz de protones que dirige la síntesis de ATP. Una diferencia importante entre los quimiolitótrofos y los quimioorganótrofos se establece según sus fuentes de carbono para la biosíntesis. Los quimioorganótrofos suelen usar compuestos como la glucosa como fuente tanto de carbono como de energía, pero los quimiolitótrofos no pueden usar sus donadores de electrones inorgánicos como fuente de carbono. La mayoría de los quimiólitótrofos usan C02 como fuente de carbono y, por tanto, son autótrofos.

5.3 Fototrofía.Muchos microorganismos, así como las plantas verdes, son fototróficos, es decir, utilizan la luz como fuente de energía en el proceso llamado fotosíntesis. Los mecanismos por los que la luz se emplea como energía son singulares y complejos, pero el efecto final es la creación de una fuerza motriz de protones que puede ser usada para la síntesis de ATP. La mayor parte de los fotótrofos usan la energía conservada en el ATP para la asimilación del CO2 como fuente de carbono, para la biosíntesis y son llamados fotoautótrofos. Sin

embargo, algunos fotótrofos emplean compuestos orgánicos como fuente de carbono y la luz como fuente de energía, que se denominan fotoheterótrofos. La fotosíntesis en los microorganismos presenta algunas características y complicaciones especiales. Por ejemplo, hay dos tipos de fotosínteis microbiana, , una forma similar a la de las plantas en la que se desprende 02 y otro tipo único que ocurre sólo en algunos procariotas

en la que no existe liberación de 02.

6. Importancia de la fuerza motriz de protones para alternar las estrategias bioenergéticas.Desde el punto de vista del metabolismo energético los microorganismos muestran una sorprendente diversidad de estrategias para obtener energía. Miles de compuestos orgánicos, muchos compuestos inorgánicos y la luz pueden servir como fuente de energía a uno u otro microorganismo. Sin embargo, excepto en el caso de la fermentación, donde predomina la fosforilación a nivel de sustrato, la diversidad en cuanto a la respiración y a la fotosíntesis gira en torno a un tema común: la generación de una fuerza motriz de protones. Independientemente de si los electrones proceden de la oxidación de un compuesto orgánico e inorgánico o de procesos fotosintéticos, todos ellos circulan por un sistema de transporte de electrones asociado a la membrana y generan una fuerza motriz de protones. En todos los casos, conservación de la energía es posible mediante la función de la ATP asa .

7. Producción Fotosintética de Energía:

La fotosíntesis se puede definir como el uso de la luz como fuente de energía y se puede representar por la siguiente reacción:

CO2 + 2H2D (CH20) + H20 + 2D

Es obvio que esta ecuación no describe un proceso productor de energía, ya que muestra su resultado biosintético, es decir la conversión de CO2 o materiales orgánicos celulares a través de la mediación de la

luz. Las reacciones productores de energía se inician con la absorción de luz por el sistema de pigmentos fotosintéticos y son seguidas por la conversión de parte de la energía absorbida a energía química en forma de ATP y NADPH. La síntesis de ATP, producida por la absorción de luz, se conoce como fotofosforilación y es análoga a la fosforilación oxidativa. Existe una cadena transportadora de electrones que está intimamente asociada al sistema de pigmentos, de tal forma que la síntesis de ATP está acoplada al transporte de electrones a través de la cadena. Los electrones son generados por una reacción fotoquímica a nivel del sistema de pigmentos como en el caso de la fotosíntesis anoxigénica (Figura No. 9).

El símbolo H2D en la ecuación señalada anteriormente, representa al compuesto donador de

electrones. Mientras que en las cianobacterias y las plantas este compuesto es el agua, con la consiguiente formación de oxígeno (fotosíntesis oxigénica), en las bacterias fotótrofas (fotosíntesis anoxígénica) este compuesto es diferente (H2S, H2, un compuesto orgánico, etc). Los electrones generados pueden ser

utilizados para reducir NADPH.

En la fotofosforilación cíclica (fotosíntesis anoxígenica) los electrones generados en la reacción fotoquímica son transportados a través de la cadena transportadora y el último componente de ella reduce a la bacterioclorofila oxidada, por lo que los electrones fluyen a través de un círcuito cerrado, siendo el flujo producido por la absorción de la energía lumínica, parte de la cual es utilizada para síntesis de ATP.

En la fotofosforilación no cíclica (fotosíntesis oxigénica) participan los fotosistemas de pigmentos I y II, los electrones donados por el agua, fluyen como consecuencia de la reacción fotoquímica del fotosistema II al I, siendo transportados a través de la cadena transportadora y el último componente de ella reduce al NADPH, el cuál se emplea en las reacciones de reducción para síntesis de carbohidratos. Los electrones fluyen en un circuito parecido a una zeta (z) tumbada.

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8. Anabolismo Bacteriano

8.1 Precursores para biosíntesis:Durante el crecimiento de una bacteria en un medio definido, con una fuente única de carbono, tal

como glucosa, todos los precursores para la biosíntesis deben ser obtenidos a partir de la vía de Embden-Meyerhof, la vía de Entner-Doudoroff, la vía del fosfogluconato y el ciclo de Krebs (Figura No. 10). Usualmente las vías de Embden-Meyerhof y de Entner-Doudoroff no existen simultáneamente en un mismo organismo: sin embargo, cualquiera de ellas proporciona intermediarios de 3 átomos de carbono: ácido 3 fosfoglicérico, fosfoenolpiruvato y piruvato, los que se necesitan para la síntesis de alanina, serina, glicina, aminoácidos ramificados, aminoácidos aromáticos y para la gluconeogénesis. La vía del fosfogluconato proporciona eritrosa 4 fosfato, pentosa fosfato y heptosa fosfatos, que se requieren para la síntesis de aminoácidos aromáticos, bases púricas y sus nucleótidos, así como mucopéptido y lipopolisacáridos. El ciclo de Krebs sirve como fuente de carbono para dos aminoácidos importantes, los ácidos glutámico y aspártico, proporcionando -cetoglutarato y oxalacetato. Estos dos aminoácidos son precursores a su vez de la arginina, prolina, lisina, metioinina y treonina. El ácido aspártico es también un precursor de las pirimidinas.

8.2 Biosíntesis de monómeros.Hasta ahora hemos considerado el catabolismo, es decir los procesos por lo que los microorganismos obtienen energía de los compuestos orgánicos. Consideraremos ahora brevemente otra serie importante de reacciones que ocurren en la célula y que constituyen el anabolismo, ésto es, los procesos que permiten construír la amplia variedad de sustancias de las que se componen.

La energía para el anabolismo la suministra el ATP o la fuerza motriz de protones, que son diferentes formas de energía química. Esta energía generada durante el catabolismo se consume tanto en la formación de monómeros como durante la polimerizacion de los monómeros para formar las respectivas macromoléculas. A continuación se presenta una visión global de las rutas biosintéticas de la síntesis de los monómeros más importantes.

8.3 Monómeros de los polisacáridos: azúcares.

Los polisacáridos son constituyentes de las paredes celulares de muchos organismos y de las bacterias, pues recordemos que el peptidoglicano de la pared celular tiene un esqueleto polisacarídico. Además las células acumulan a menudo carbono y energía en forma de los polisacáridos almidón y glucógeno . Las unidades monoméricas de estos polisacáridos son azúcares de seis carbonos llamados hexosas, particularmente glucosa o derivados de glucosa. Además de las hexosas, en la célula también son comúnes los azúcares de cinco carbonos llamados pentosas. Estos incluyen la ribosa y la desoxiribosa que están presentes en el RNA y DNA, respectivamente.

En los procariotas los polisacáridos se sintetizan a partir de uridina difoglucosa (UDPG) o bien adenosina difosfoglucosa (ADPG) que son formas activadasa de la glucosa. La ADPG es el precursor para la biosíntesis del glucógeno, mientras que UDPG es el precursor de varios derivados de glucosa necesarios para la biosíntesis de otros polisacáridos celulares, como el peptidoglicano o el lipopolisacárido de la membrana externa de bacterias Gram negativas .

Cuando una célula crece utilizando una hexosa como la glucosa, resulta obvio que la obtención de glucosa no supone ningún problema. Pero cuando la célula crece sobre otros compuestos carbonados, debe sintetizar glucosa. Este proceso, llamado gluconeogénesis, usa como material inicial el fosfoenolpiruvato, uno de los intermediarios de la glucolisis. El fosfoenolpiruvato se puede sintetizar a partir del oxalacetato, un intermediario del ciclo del ácido cítrico.

Las pentosas se forman a partir de hexosas mediante la pérdida de un átomo de carbono, por lo general como CO2 . Las pentosas que se requieren para la síntesis de los ácidos nucleicos, es decir, la ribosa en desoxirribosa se forman como se indica en la figura. La enzima riblonucleótido reductasa convierte la ribosa en desoxirribosa por reducción del carbono 2´ del anillo. Resulta interesante que esta reacción ocurre después, no antes, de la síntesis de nucleótidos, de modo que los ribonuclótidos son sintetizados en primer lugar y luego algunos de ellos se reducen a desoxirribonucleótidos que actúan como precursores de DNA.

Glucosa -6-P

Ribulosa-5-P + CO2

Ribosa-5-P

Ribonucleótidos Ribonucleótidos

NADPH Ribonucleótido Reductasa

Desoxiribonucleótidos

RNA DNA

8.4 El Ciclo de Glioxilato:

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El crecimiento de bacterias en un medio que contenga acetato como la única fuente de carbono, viene a producir un recargo en el ciclo de Krebs, ya que este debe proporcionar cetoglutarato y oxalacetato para la síntesis de glutamato, aspartato y carbohidratos. Si estos cetoácidos fueron sustraídos del ciclo sin ser repuestos, el ciclo se detendría rápido por falta de oxalaceta para condensarse con actetil-CoA. Las bacterias capaces de crecer en un medio con acetato forman un par especial de enzimas (isocitratoliasa y malato síntetasa) que proporcionan una fuente adicional de intermediarios de 4 átomos de carbono, a partir de isocitrato (Figura No. 11). El succinato y el malato son oxidados a oxalacetato el cual luego puede condensarse con acetil- CoA, o bien formar fosfoenolpiruvato y carbohidrato o, después de transaminación, convertirse en aspartato.

Isocitrato liasa

Isocitrato Glioxilato + succinato

Malato sintetasa

glioxilato + Acetil – CoA Malato + CoA-SH

8.5 Asimilación de Amonio:

La asimilación de amonio proporciona nitrógeno para la síntesis de aminoácidos, purinas, pirimidinas y amino azúcares. La asimilación de amonio es especialmente importante cuando la bacteria está creciendo en un medio definido. La enzima glutamato, sintetasa, descubierta en Bacillus subtilis, Bacillus megaterium y E. coli, cataliza, la aminación reductiva del -cetoglutarato, usando el grupo amido de la glutamina como donador del grupo amino.

L-glutamina + - cetoglutarato + NADPH 2 L-glutamato + NADP

La L-glutamina es obtenida a partir de L-glutamato y amonio, mediante una reacción catalizada por la enzima glutamina sintetasa, cuya actividad es influenciada por la presencia de amonio:

L-glutamato + ATP + NH3 L-glutamina + ADP + P1

Parece seguro que la enzima glutamato sintetasa es responsable de la fijación de amonio en Bacillus y Escherichia, pero no se sabe acerca de su distribución en otras bacterias.

Casi todas las bacterias tienen la enzima glutamato deshidrogenasa, que cataliza la reacción:

-cetoglutarato + NH3 + NADPH L-glutamato + NADP

La enzima podría servir como un medio para la fijación de amonio o puede ser que sea una enzima degradativa encargada de la desaminación del L-glutamato.

Independientemente de cual sea el mecanismo de fijación del amonio, el nitrógeno del glutamato sirve como fuente de nitrógeno amínico y es transferido por transaminación.

L-glutamato + oxalacetato -cetaglutarato + aspartato

En esta reacción se forma ácido aspártico y el -cetoglutarato puede ser convertido nuevamente a L-glutamato, por la acción de la glutamato sintetasa o la glutamato deshidrogenasa.

8.6 Biosíntesis de Aminoácidos:

Solamente la histidina tiene un origen biosintético completamente aislado. Los otros 19 aminoácidos se derivan a través de vías biosintéticas ramificadas, de un número relativamente pequeño de precursores y por consiguiente se pueden agrupar, con base a su orígen biosintético, en un total de 5 familias.

Familia del glutamato:

L-glutamina L-glutamato

L-arginina L-prolina

Familia del aspartato:

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L-asparagina L-aspartato

L-aspartato - -semialdehído

L-lisina L-hemoserina L-treonina

L-metionina

Familia del piruvato:

Piruvato L-isoleucina L-alanina

2-cetoisovalerato

L-valina

L-leucina

Familia del 3-fosfoglicerato:

3- fosfoglicerato

H2S

L-serina L-cisteína

Glicina

Familia de los aromáticos:

Eritrosa 4-fosfato + fosfoenolpiruvato

Acido corísmico

Acido prefénico Acido antranílico

L-tirosina L-fenilalanina L-triptófano

Síntesis de Histidina:

La síntesis de histidina es muy especial ya que parte del nitrógeno de su anillo imidazol proviene del ATP. Las precursoras iniciales son el 5-f osforibosil-pirofosfato y el ATP, los que se condensan para formar fosforibosil-ATP

5-fosforibosil-1-pirofosfato + ATP + pp

Fosforibosil-ATP

Histidina

8.7 Biosíntesis de nucleótidos de purina:

La síntesis de nucleótidos de purina se puede efectuar a partir de intermediarios del metabolismo (síntesis de novo) o a partir de bases libres y nucleósidos (vías de rescate)

8.7.1 Formación de ácido inosínico

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La síntesis de novo de los nucleótidos de adenina y guanina ocurre por una vía que envuelve la síntesis de ácido inosínico, como precursor de ambos nucleótidos. La vía es igual a la que existe en los animales superiores. La síntesis empieza con la formación de fosforibosilamina, a partir de 5-fosforibosil-1- pirofosfato y glutamina.

5-fosforibosil-1-pirofosfato + glutamina

glutamato + pp

5-fosforibosilamina

Acido inosínico (hipoxantina)

En la figura No. 12 se muestra el origen de los átomos que constituyen la molécula del ácido inosínico.

6.6.2. Formación de ácido adenílico (AMP) y guanílico (GMP).El ácido aspártico es la fuente del grupo amino de la adenina (Figura No. 13). El esqueleto carbonado del aspartato es liberado del ácido adenilsuccínico en forma de ácido fumárico. El ácido guanílico se forma por oxidación del ácido inosínico a ácido xantílico y adición a este último de un grupo amino, en la posición 1 del anillo de purina, pero en este caso proveniente de amonio en lugar de ácido aspártico.

8.8 Formación de ATP y GTP:

Los ácidos adenílico y guanílico son convertidos a sus difosfatos y trifosfatos por medio de las enzimas nucléido monofosfato quinasa y nucleósido difostato quinasa respectivamente. Las reacciones con GMP y GDP son:

GMP + ATP GDP + ADP

GDP + ATPGTP + ADP

8.9 Formación de dATP y dGTP:

Los desoxirribonucleósidos difosfatos (dADP y dGDP) son formados por reducción directa de los ribonucleósidos difosfatos (ADP y GDP) por medio de la tiorredoxina, una proteína que contienen grupos SH y la enzima tiorredoxina reductosa. La reacción para GDP es la siguiente.

tiorredoxina reductasa

Tiorredoxina (-S-S-) + NADPH Tiorredoxina (- SH)2 + NADP+

Tiorredoxina (-SH)2 + ADP Tiorredoxina (-S-S-) + dADP

El dADP es convertida a d ATP por medio de la enzima nucleósido difosfato quinasa:

d ADP + ATP ADP + dATP

8.9.1 Vías de Rescate:

Muchas bacterias son capaces de utilizar adenina, guanina, hipoxantina y xantina, para efectuar la síntesis de nucleótidos de purina, a pesar de que las bases libres no son intermediarios en la síntesis de estos nucleótidos. Las vías que utilizan las bases libres se conocen como "vías de rescate". Enzimas llamadas nucleótido pirofosforilasas convierten a las purinas en ribonucleótidos

Purina + 5-fosforibosil-1-pirofosfato purina 5- fosfato + PP

Otra vía de rescate se lleva a cabo por la acción de la enzima purina nucleósido fosforilasa:

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Purina + ribosa 1-fosfato purina nucleósido + Pi. seguida de la acción de nucleósido quinasa.

Purina nucleósido + ATP Purina 5-fosfato + ADP

8.10. Biosíntesis de nucleótidos de pirimidina:

La síntesis de nucleótidos de pirimidina se puede efectuar a partir de intermediarios del metabolismo (síntesis de novo) o a partir de bases libres (vías de rescate).

8.10.1 Formación de ácido uridílico (UMP):

Todos los elementos de la base pirimídica se forman en una sola reacción que resulta de la formación de carbamilaspartato a partir de carbamilfosfato y L-aspartato. La vía es igual a lo que existe en los animales superiores.

Carbamilfosfato + L-aspartato

PiH-carbamil aspartato

Acido uridílico (UMP)

La figura No. 14 muestra el origen de los átomos que constituyen la molécula del ácido uridílico.

8.10.2 Síntesis de otros ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos de pirimidina.El ácido urídilico (uridina 5-fosfato) es el precursor de las otras ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos de pirimidina (Figura No. 15). UMP es convertido a UTP por los nucleósido monofosfato y difosfato quinasas, a expensas de ATP. UTP es convertido a CTP por adición de un grupo amino proveniente de la glutamina. Desoxicitidin nucleótidos se forman por reducción de CDP con tiorredoxina.

Desoxiuridin nucleótidos se forman por reducción de UDP a desoxiuridia difosfato (dUDP) con tiorredoxina. Nucleótidos de timidina, para síntesis de ADN, se forman a partir de desoxiuridin monofosfato (dUMP) por la enzima timidilato sintetasa. Esta enzima cataliza la adición de un grupo metilo a dUMP:

dUMP + N5, N10 metilentetrahidrofolato dTMP + tetrahidrofolato

8.10.3 Vías de Rescate:

Citosina y uracilo pueden ser incorporadas a los ácidos nucléico por medio de vías de rescate, pero la timina no puede ser incorporada. La citosina es hidrolizada a uracilo que es luego convertido a UMP por una nucleótida pirafosforilasa. Aunque timina no puede ser utilizada por las bacterias, el nucleósido desoxitimidina puede ser convertido a dTMP por la desoxitimidin quinasa que actúa sobre la desoxitimidina y la desoxiuridina:

Desoxitimidina + ATP dTMP + ADP

Desoxiuridina + ATP dUMP + ADP

8.11 Biosíntesis de Lípidos:La biosíntesis de ácidos grasos saturados se verifica a partir de unidades de acetato. En E. coli existe una proteína transportadora de grupos acilo, a la cual se encuentran unidos los intermediarios de la vía de síntesis. Además, las enzimas que forman parte de la vía se pueden separar fácilmente una de otra.

Con relación a los ácidos grasos no saturados, las bacterias sólo contienen ácidos con un doble enlace (monoamídicas).La introducción del doble enlace puede ser por medio de dos vías diferentes. La vía anaeróbica utiliza oxígeno como parte del mecanismo de saturación. Muchas bacterias, incluyendo aeróbicas y anaeróbicas, utilizan la vía anaeróbica que es una ramificación especial de la cadena normal de biosíntesis de ácidos grasos saturados a nivel de C10

TABLA No. 1CLASIFICACION METABOLICA DE LAS BACTERIAS

TIPOBACTERIA

FUENTE DE CARBONO

FUENTE DE ENERGIA

DONADORES DE ELECTRONES

EJEMPLOS

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Fotolitótrofas CO2 Luz Compuestos Inorgánicos H2S, S

BacteriasFotosintéticas

Fotoorganótrofas Compuestos orgánicos

Luz Compuestosorgánicos

Bacteriaspúrpuras no sulfuradas

Quimiolitótrofas CO2 Reacciones deóxido-reducción

Compuestos inorgánicos H2, S,

H2S, Fe(II), NH3

Bacterias desnitrificantes sulfuradas,ferrosas, utilizadores de hidrógeno

Quimioorganótrofas CompuestosOrgánicos

Reacciones deóxido-reducción

CompuestosOrgánicos

Mayoría deBacterias

8.12 Biosíntesis de Biopolímeros

8.12.1 Principios generales:

Los polisacáridos, proteínas y ácidos nucléicos son polimeros compuestos de subunidades (monómeros) unidos por un tipo de unión característico. La secuencia de las unidades monoméricas es siempre lineal en las proteínas y ácidos nucléicos: algunos polisacáridos poseen ramificaciones.

Algunos polisacáridos son homopolímeros, es decir que poseen un solo tipo de subunidad. Muchos polisacáridos y todas las proteínas y ácidos nucléicos son heteropolímeros, estando formados de más de un tipo de subunidad. Los polisacáridos que poseen más de un tipo de subunidad muestran una disposición regular de las subunidades (A-B- A-B-A-B-). mientras que en las proteínas y ácidos nucléicos, las secuencias de las subunidades son irregulares (-A-A-B-C-D-D-B-C-A-)

La polimerización de las subunidades requiere energía por lo que la polimerización va siempre precedida por una activación de los monómeros. La activación resulta en la unión de los monómeros a moléculas transportadoras y requiere la utilización de por lo menos una molécula de ATP ( o su equivalente) para la activación de cada monómero. Los monómeros están unidos a las moléculas transportadoras por medio de enlaces de alta energía y como consecuencia cada unidad monomérica puede ser fácilmente incorporada a una cadena polimérica en crecimiento, siendo su transferencia termodinámicamente favorable. La tabla No. 2 muestra a los agentes activadores y las formas activadas de los monómeros.

TABLA No. 2 CLASE DE POLIMERO

MONOHERO AGENTE ACTIVADOR

FORMA ACTIVADADEL MONOMERO

Polisacáridos

Proteínas

Acidos Nucléicos

Monosacáridos

Aminoácidos

NucleósidoMonofosfato

NucleósidosTrifosfatos (NTP)

ATP, tARN

ATP

Monosacárido-NDP

Aminoacil-AMP---Aminoacil-tARN

Nucleósidos trifosfatos

Los monosacáridos se encuentran en las células principalmente como ésteres de fosfato. Los azúcares fosfato son activados por reacción con uno de los ribonucleótidos trifosfatos (ATP, UTP, GTP ó CTP). La naturaleza de tales activaciones puede ser ilustrada por la activación de la glucosa 6-fosfato, que precede a la incorporación de residuos de glucosa al glucógeno bacteriano:

Glucosa -6- fosfato + ATP ADP-glucosa + PP

Los aminoácidos son activados en dos etapas, ambas catalizadas por enzimas específicas. La primera etapa envuelve una reacción con ATP.

Aminoácido + ATP aminoacil-AMP + pp

El residuo de aminoacil es luego transferido a un ARN de transferencia específico, para formar aminoacil-tARN:

Aminoacil-AMP + tARN ----------- aminoacil-tRNA + AMP

Los nucleósidos monofosfatos, monómeros de los ácidos nucléicos, son todos activados previo a su polimerización, por medio de su conversión a los trifosfato correspondiente.

El ensamblaje de un biopolímero siempre ocurre por la adición secuencial de nuevas subunidades a uno de los extremos de la cadena polimérica en crecimiento: el crecimiento es, por consiguiente, unidireccional.

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8.12.2. Biosíntesis de Polisacáridos:

Las propiedades de varios sistemas para la síntesis de polisacáridos se describen en la tabla No. 3.

Una característica importante de la síntesis de polisacáridos es el requerimiento de un iniciador (un segmento corto del polisacárido). que actúa como un aceptor de las unidades monoméricas. En la síntesis del glucógeno se ha encontrado que este iniciador debe tener mas de 4 unidades para que funcione adecuadamente (Figura No. 16).

Las ramificaciones características del glucógeno son producidas por una enzima ramificante que separa pequeños fragmentos del extremo no reductor de una cadena lineal y los vuelve a insertar, a través de uniones 1.6 en otro punto de la cadena (Figura No. 16).

TABLA No. 3 POLISACARIDO UNIDAD REPETITIVA PRECURSORGlucógeno

Celulosa

Xylano

Polisacárido capsularS pneumoniae tipo III

ß -D-Glucosa (1- 4)

ß -D-Glucosa (1 4)

ß -D-xylosa (1 4)

Acido _B-D-glucorónico(1-4)ß-D-glucosa (1 3).

ADP-glucosa

GDPglucosa

UDP-xylosa

Acido UDP-glucurónico,UDP-glucosa

8.12.3 Estructura de la Pared Celular:

Las paredes celulares son estructuras rígidas, porosas, en forma de sacos o cajas, que le dan protección física a las células especialmente contra cambios en la presión osmótica del medio externo. La estructura y biosíntesis de las paredes celulares de las bacterias han sido estudiadas intensivamente, ya que contienen antígenos específicos, útiles en el diagnóstico de enfermedades infecciosas. Además, algunos antibióticos, como la penicilina, inhiben su biosíntesis.

Las bacterias se han dividido clásicamente en Gram-positivo y Gram-negativo, de acuerdo a su reacción con la coloración de Gram, reacción que depende de la composición de la pared celular. En las bacterias Gram-positivo las paredes contienen muy poco lípido, mientras que en los de Gram-negativo las paredes son abundantes en lípidos.

Las paredes celulares de las bacterias Gram-positivo y Gram-negativo tienen un denominador químico común: la presencia de mureínas (también llamados peptidoglucanos o mucopéptidos), que son los principales constituyentes de la pared, dándole su fuerza y forma rígida, ya que forman un esqueleto rígido alrededor de la membrana celular. Este esqueleto consiste de cadenas paralelas de polisacáridos, covalentemente unidas por medio de enlaces cruzados, a través de cadenas peptídicas (Figura No. 17). A este esqueleto se encuentran unidos por medio de enlaces cruzados, a través de cadenas peptídicas (Figura No. 17). A este esqueleto se encuentran unidos otros componentes característicos que son diferentes en las bacterias Gram-positivo y Gram-negativo.

En las bacterias Gram-positivo la mureína constituye por lo menos el 50% (y a menudo más) del peso seco total de la pared. El segundo constituyente más abundante son los ácidos teicóicos, que constituyen del 20 al 40% del peso seco total de la pared. Además de estos componentes, las paredes contienen también: 1) polisacáridos que contienen menos ramnosa, glucosa, galactosa y manosa ( o sus aminas) y 2) polipéptidos o proteínas. Los ácidos teicóicos y los polisacáridos son antigénicos, siendo esta propiedad utilizada para la clasificación taxonómica de varias especies. En estas bacterias la mureína se encuentra en toda la pared formando una matriz compleja con los otros componentes, dándole a la pared una apariencia rígida y quebradiza, como la concha de un crustáceo.

Las paredes de las bacterias Gram-negativo son más complejas. La mureína constituye menos del 10% del peso seco de la pared y forma la parte más interna de la pared, donde se encuentra prácticamente un estado puro. Las capas externas de la pared, que pueden constituír hasta un 80% del peso seco de la pared y forma la parte más interna de la pared, donde se encuentra prácticamente un estado puro.

Las capas externas de la pared, que pueden constituír hasta un 80% del peso seco de la pared, consisten principalmente de polipéptidos, lipoproteínas y lipopolisacáridos.

Los lipopolisacáridos han sido muy estudiados por ser los responsables de las propiedades antigénicas de las bacterias Gram negativas. Esta antigenicidad constituye la base para distinguir las diferentes cepas de una misma especie. En el género Salmonella, por ejemplo, se conocen más de 1,000 serotipos específicos. La fracción lipopolisacárido de la pared bacteriana también tiene actividad endotóxica, siendo responsable de los síntomas que ocurren cuando las bacterias Gram negativo se introducen en el

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torrente sanguíneo y que incluyen fiebre y, en casos severos, shock y hemorragia interna. Las paredes de las bacterias Gram-negativo por tener una capa externa rica en lípidos, tienen una apariencia rugosa.

8.12.4. Estructura de las mureínas o Mucopéptidos:

El saco de mureína es esencialmente una sola molécula gigante y rígida, en la cual las cadenas polisacáridas están periódicamente unidas por enlaces cruzados. Acido N-acetilmurémico. M-acetilglucosomina. L-alanina. D- alanina. ácido glutámico ó D-isoglutamina y ácido meso-diominopimélico son constituyentes comúnes de los mucopéptidos. La estructura de algunos de esos compuestos se muestra en la Figura No 18. La unidad básica del mucopéptido es un disacárido tetrapéptido. L-alanina está unida al ácido murámico por medio de una unión peptídica entre el grupo carboxílico del ácido murámico y el amino de la alanina. Los otros aminoácidos están también unidos entre sí por uniones peptídicas. El ácido N-acetilmurámico y la N- acetilglucosamina están unidos a través de una serie de enlaces glucosídicos (1-4). Esta estructura se muestra en la figura No. 19. Variaciones de la estructura que se observa en esta figura se presentan en otras bacterias. Ocasionalmente la L-alanina es reemplazada por glicina o L-serina. Lisina, ornitina, hidroxilisina, ácido hidroxidiominopimélico o ácido L.L-diaminopimélico pueden aparecer en la posición 3 del tetrapéptido en lugar del ácido mesodiaminopimélico. El enlace cruzado puede ocurrir directamente del ácido diaminopimélico a una D-alanina adyacente por medio de un puente de pentaglicina o por medio de otros puentes, incluyendo glicina, serina o treonina.

Las unidades básicas del mucopéptido están unidos entre sí, para formar una malla apretada que rodea a toda la célula (Figura No. 17). Los enlaces cruzados se forman en Staphylococcus aureus por medio de un puente conteniendo cinco moléculas de glicina. El puente une a la D-alanina de un tetrapéptido con la L-lisina de un péptido adyacente. En Escherichia coli. el ácido diaminopimélico reemplaza a la lisina en el mucopéptido y el enlace cruzado se forma directamente entre este ácido y la D-alanina. En algunas especies de bacterias el 90 a 95% de los tetrapéptidos están formando enlaces cruzados.

La importancia general de las mureínas como elementos reforzadores de la pared celular ha sido demostrada por la acción que tiene la lisozima sobre ellos.

Esta enzima hidroliza uniones glucosídicas en la cadena polisacárida (Figura No. 19), destruyendo la integridad de la capa de mureína. A medida que esta capa se debilita, la célula pierde primero su forma específica, eventualmente se vuelve esférica y poco tiempo después sufre una lisis osmótica.

8.12.5. Estructura de los ácidos teicóicos:

Existen dos clases de ácidos teicóicos (Figura No. 20): Los ácidos glicerol-teicóicos y los ribitol-teicóicos. Los ácidos glicerol-teicóicos son polímeros de unidades de glicerol unidas a través de puentes fosfodiéster en las posiciones 1 y 3. El hidróxilo del carbono 2 está esterificado frecuentemente con D-alanina.

Los ácidos ribitol-teicóicos son polímeros de unidades de ribitol unidos a través de puentes fosfodiester en las posiciones 1 y 5. Los hidroxilos en las posiciones 2 y 3 están frecuentemente esterificados con D-alanina y el hidroxilo en la posición 4 está unido a través de un enlace glucosídico a D-glucosa ó D-glucosomina.

8.12.6. Estructura de los lipopolisacáridos

La mayor parte del trabajo estructural de los lipopolisacáridos ha sido hecho en bacterias del género Salmonella. La razón de ésto es que el esquema para la identificación de los miembros de este género de patógenos entéricos, depende del reconocimiento serológico de los antígenos O, que son parte de la estructura del lipopolisacáridos. Los lipopolisacáridos están compuestos de lípido A. núcleo y antígeno (Figura No. 21). El núcleo se subdivide en núcleo interno o esqueleto y núcleo externo. El lípido A y el núcleo son casi idénticos o por lo menos similares en todas las especies de Salmonella. El núcleo es diferente en otros géneros de bacterias entéricas, tales como Escherichia o Shigella pero estructuralmente similar. El antígeno O es la única porción del lipopolisacárido sobre la cual se fundamenta la clasificación serológica. Todos los serotipos de Salmonella contienen ácido 2-ceto-3-desoxioctulosónico (KDO). L-glicero-D-manoheptosa, glucosa, galactosa y glucosamina, que son los azúcares del lípido A y el núcleo (Figura No. 21). Acidos grasos de cadena larga, tales como ácidos lauríco y mirístico, están también presentes en el lípido A, probablemente esterificados o los grupos hidroxilo de la glucosamina, el ácido B-hidroximirístico, que existe sólo en el lípido A, está unido al grupo amino de la glucosamina por medio de una unión amida. El otro componente del lípido A es fosfato, que está también esterificado a grupos hidroxilo de la glucosamina. Los azúcares y otros componentes del núcleo se muestran en la figura No. 21. El núcleo está unido al lípido A pór uniones glucosídicas entre el KDO y la glucosamina. Se cree que puentes de fosfato y pirofosforiletanolomina formen enlaces entre moléculas de heptosas de núcleos adyacentes, pero los detalles de estos puentes no se conocen.

8.13 Biosíntesis de la Pared Celular

8.13.1 Biosíntesis del Mucopéptido:

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Esta biosíntesis ha sido estudiada en detalle en Staphylococcus aureus debido a la importancia de este organismo en infecciones resistentes a la penicilina. Las primeras reacciones, que conducen a la formación del nucleótido de Park, ocurren en el citoplasma y son catabolizados por enzima solubles. Estas reacciones se inician con la formación de UDP-ácido N-acetilmurámica. El primer aminoácido de la cadena lateral pentapeptídica, L-alanina, es unida al grupo carboxílico del ácido murámico a través de una unión peptídica, utilizándose la energía del ATP (Figura No. 22). Los restantes aminoácidos de la cadena lateral son agregados secuencialmente, con la excepción de las dos moléculas finales de D-alanina, que son agregados como el dipéptido Dalanil-D-alanina. Este dipéptido es formado en dos etapas. La primera reacción es la epimerización de L-alanina a D-alanina por medio de la alanina racemasa, una enzima que está presente probablemente en casi todas las bacterias. En la siguiente reacción, Dalanil-D-alanina sintetasa cataliza la formación del dipéptido.

RacemasaL-alanina------------- D-alanina

Sintetasa2 D-alanina + ATP ---------------D-alanil-D-alanina + ADP + Pi

Las siguientes reacciones ocurren en la membrana celular, actuando como un transportador de los intermediarios polares, un fosfolípido es un poliisoprenoide de 55 átomos de carbono:

CH3 H(CH2-C-CH-CH2)11-0-P03H2

El fosfolípido transportador desplaza el UMP (Figura No. 23, reacción 1) y queda unido al pentapéptido a través de un puente pirofosfato. Luego se agrega N-acetil-D-glucosamina (reacción 2), sirviendo de nuevo el UDP como el transportador del azúcar activado. Amoniaco se une al grupo -carboxílico del ácido D-glutámico, formándose D-isoglutamina (reacción 3). Glicil-tARN es la fuente de las cinco moléculas de glicina, que forman los enlaces cruzados entre cadenas peptídicas adyacentes del mucopéptido (reacción 4)

El uso de aminoacil-tArn, para formar uniones peptídicas, sin intervención de ribosomas, es muy raro. Existen por lo menos cuatro especies de glicil-tARN en S. aureus, pudiendo todas participar en la síntesis del mucopéptido, pero una de estas especies sólo participa en esta síntesis y no en la síntesis de proteína. Otras especies de bacterias también usan intermediarios aminoacil-tARN para la síntesis de sus enlaces cruzados, pero esta no es una reacción universal. El disacárido pentapéptido se agrega al mucopéptido en su punto de crecimiento (reacción 5). desplazando el bactoprenol pirofosfato. El bactoprenol pirofosfato es hidrolizado a bactoprenol fosfato, que queda así disponible para empezar un nuevo ciclo (reacción 6).

La reacción final en la síntesis de mucopéptido es la transpeptidación, que ocurre fuera de la membrana celular. Esta reacción completa la conexión del puente de pentaglicina entre L-lisina y D-alanina y resulta en el desplazamiento de la D-alamina terminal (Figura No. 24).

8.13.2 Biosíntesis del Lipopolisacárido:

Las vías sintéticas para el núcleo externo y el antígeno 0 son conocidas, pero muy poco se conoce acerca de la síntesis del núcleo interno del lípido A. La secuencia de reacciones en la síntesis del núcleo externo se muestra en la Figura No. 25. Todos los azúcares son agregados al esqueleto, en forma de derivados del UDP, por medio de glucosiltransferasas, enzimas localizadas en la membrana celular. Fosfatidiletanolamina, que constituye el 90% de los fosfolípidos , forma un complejo con el lipopolisacárido, mientras los azúcares del núcleo externo están siendo agregados. El complejo aparentemente es necesario para proveer el ambiente no polar adecuado para la acción de las glucosiltransferasas.

El antígeno 0 es también sintetizado en la membrana celular, participando también el bactoprenol como transportador. La unidad repetitiva del antígeno 0 se forma primero, luego se polimeriza y por último se agrega el núcleo. La síntesis en Salmonella typhimurium empieza con el desplazamiento del UMP por el bactoprenol fosfato, con la formación de galactosil-bactoprenol pirofosfato (Figura No. 26, reacción 1). Luego, los otros azúcares de la unidad repetitiva se agregan en forma de sus nucleótidos difosfato. En el caso de Salmonella typhimurium estos son respectivamente: timidin ramnosa, guanosin/difosfato manosa y citidindifosfato abecosa (reacciones 2, 3 y 4). Las unidades del antígeno 0 son polimerizadas por adición de las unidades repetitivas al extremo reductor del antígeno 0, o al extremo al cual se encuentra unido el bactoprenol.

El antígeno 0 completamente polimerizado es agregado al núcleo aceptor del lipopolisacárido (reacción 6) y el bactoprenol fosfato es regenerado por hidrólisis del bactoprenol pirofostato (reacción 7).

8.13.3 Inhibidores de la Biosíntesis de la Pared Celular:

a) Penicilinas y Cefalosporinas

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Las penicilinas y cefalosporinas tienen una estructura química similar, siendo el elemento común el anillo B-lactam (Figura No. 27). Estos antibióticos son agentes bactericidas, más efectivos contra bacterias Gram positivas que contra Gram-negativas, matando solamente a células en crecimiento. Actúan inhibiendo la reacción de transpeptidación, que es la última reacción en la síntesis del mucopéptido (Figura No. 24). La configuración molecular de estos antibióticos es similar a la del extremo D-alanil D-alanina de la cadena lateral penta-peptídica del mucopéptido. Se cree que los antibióticos reaccionan con la transpeptidasa formando un complejo antibiótico-penicilina, el cual evita que la enzima participe en la reacción. La resistencia bacteriana a estos antibióticos se debe generalmente a la presencia de una B-lactamasa, cuya producción es gobernada por un plásmido. Las B-lactamasas son enzimas que hidrolizan el anillo B-lactam de las penicilinas y cefalosporinas (Figura No. 28).

b) Cicloserina:

La D-cicloserina es un antibiótico producido por Streptomyces , que tiene una reacción bactericida debido a que tiene una estructura anóloga a la D-alanina (Figura No. 29). El antibiótico inhibe el transporte de la D-alanina y es un inhibidor competitivo de la alanina racemasa y la D-alanil-D-alanina sintetasa, enzimas importantes en la síntesis de nucopéptido. La resistencia a cicloserina en E. coli es debida a una capacidad menor para transportarla.

c) Vancomicina:

La vancomicina es un antibiótico producido por Streptomyces orientalis,que inhibe la transferencia del disacárido pentapéptido del bactoprenol pirofosfato al externo aceptor del mucopéptido(Figura 4, 22, reacción 5). Es más efectiva contra bacterias Gram positivas).

d) Bacitracina:

La bacitracina es un antibiótico polipeptídico producido por especies de Bacillus, que es activo contra bacterias Gram positivas y Neisseria. Se usa sólo en forma local. La bacitracina inhibe la hidrólisis del bactropenol pirofosfato bactroprenol fosfato (Figura No. 23, reacción 6), impidiendo que pueda ser utilizado nuevamente para la síntesis del mucopéptido.

Bibliografía

1. Sokatch, J.R. & J. J. Ferreti, Basic Bacteriology and Genetics, Chicago, Year Book Medical Publishers Inc. 1976. 264 pp

2. Stainer, R.Y., H. Deudoroff & E.A. Adelberg. The Microbial World. 3d. ed. New Jersey, Prentice-Hall, Inc. 1970. 873 p.

3. Lehninger, A.L. Biochemistry. 2nd. ed. New York. Worth Publishers. Inc., 1975. 1104 p.4. Joklik, W.K. & H. P. Willett. Zinsser Microbiology. 18th ed. New York Appleton-Century-

Crafts, 1998. 1223 p.5. Madigan M., Martinko JM. Y Parker J. Brock: Biología de los microorganismos. 10 ed. Gacto

Fernándes et al. Madrid. Perason Prentice Hall. 2003. pp. 122-134.

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALAFACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS Y FARMACIA

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ESCUELA DE QUÍMICA BIOLÓGICADEPARTAMENTO DE MICROBIOLOGIAMICROBIOLOGÍA GENERAL

Biosíntesis de la Pared Celular

1. Biosíntesis del MucopéptidoEsta biosíntesis ha sido estudiada en detalle en Staphylococcus aureus debido a la importancia de este organismo en infecciones resistentes a la penicilina. Las primeras reacciones, que conducen a la formación del nucleótido de Park, ocurren en el citoplasma y son catabolizados por enzima solubles. Estas reacciones se inician con la formación de UDP-ácido N-acetilmurámico. El primer aminoácido de la cadena lateral pentapeptídica, L-alanina, es unida al grupo carboxílico del ácido murámico a través de una unión peptídica, utilizándose la energía del ATP (Figura No. 1). Los restantes aminoácidos de la cadena lateral son agregados secuencialmente, con la excepción de las dos moléculas finales de D-alanina, que son agregados como el dipéptido Dalanil-D-alanina. Este dipéptido es formado en dos etapas. La primera reacción es la epimerización de L-alanina a D-alanina por medio de la alanina racemasa, una enzima que está presente probablemente en casi todas las bacterias. En la siguiente reacción, Dalanil-D-alanina sintetasa cataliza la formación del dipéptido.

RacemasaL-alanina------------- D-alanina

Sintetasa2 D-alanina + ATP ---------------D-alanil-D-alanina + ADP + Pi

Las siguientes reacciones ocurren en la membrana celular, actuando como un transportador de los intermediarios polares, un fosfolípido, que es un poliisoprenoide de 55 átomos de carbono:

CH3 H(CH2-C=CH-CH2)11-0-P03H2

El fosfolípido transportador desplaza el UMP (Figura No. 2, reacción 1) y queda unido al pentapéptido a través de un puente pirofosfato. Luego se agrega N-acetil-D-glucosamina (reacción 2), sirviendo de nuevo el UDP como el transportador del azúcar activado. Amoniaco se une al grupo -carboxílico del ácido D-glutámico, formándose D-isoglutamina (reacción 3). Glicil-tARN es la fuente de las cinco moléculas de glicina, que forman los enlaces cruzados entre cadenas peptídicas adyacentes del mucopéptido (reacción 4)

El uso de aminoacil-tARN, para formar uniones peptídicas, sin intervención de ribosomas, es muy raro. Existen por lo menos cuatro especies de glicil-tARN en S. aureus, pudiendo todas participar en la síntesis del mucopéptido, pero una de estas especies sólo participa en esta síntesis y no en la síntesis de proteína. Otras especies de bacterias también usan intermediarios aminoacil-tARN para la síntesis de sus enlaces cruzados, pero esta no es una reacción universal. El disacárido pentapéptido se agrega al mucopéptido en su punto de crecimiento (reacción 5), desplazando el bactoprenol pirofosfato. El bactoprenol pirofosfato es hidrolizado a bactoprenol fosfato, que queda así disponible para empezar un nuevo ciclo (reacción 6).

La reacción final en la síntesis de mucopéptido es la transpeptidación, que ocurre fuera de la membrana celular. Esta reacción completa la conexión del puente de pentaglicina entre L-lisina y D-alanina y resulta en el desplazamiento de la D-alanina terminal (Figura No. 3).

2. Biosíntesis del Lipopolisacárido:

Las vías sintéticas para el núcleo externo y el antígeno 0 son conocidas, pero muy poco se conoce acerca de la síntesis del núcleo interno del lípido A. La secuencia de reacciones en la síntesis del núcleo externo se muestra en la Figura No. 4. Todos los azúcares son agregados al esqueleto, en forma de derivados del UDP, por medio de glucosiltransferasas, enzimas localizadas en la membrana celular. Fosfatidiletanolamina, que constituye el 90% de los fosfolípidos , forma un complejo con el lipopolisacárido, mientras los azúcares del núcleo externo están siendo agregados. El complejo aparentemente es necesario para proveer el ambiente no polar adecuado para la acción de las glucosiltransferasas.

El antígeno 0 es también sintetizado en la membrana celular, participando también el bactoprenol como transportador. La unidad repetitiva del antígeno 0 se forma primero, luego se polimeriza y por último se agrega el núcleo. La síntesis en Salmonella typhimurium empieza con el desplazamiento del UMP por el bactoprenol fosfato, con la formación de galactosil-bactoprenol pirofosfato (Figura No. 5, reacción 1). Luego, los otros azúcares de la unidad repetitiva se agregan en forma de sus nucleótidos difosfato. En el caso de Salmonella typhimurium estos son respectivamente: timidin ramnosa, guanosin/difosfato manosa y citidindifosfato abecosa (reacciones 2, 3 y 4). Las unidades del antígeno 0 son polimerizadas por adición de las unidades repetitivas al extremo reductor del antígeno 0, o al extremo al cual se encuentra unido el bactoprenol.

El antígeno 0 completamente polimerizado es agregado al núcleo aceptor del lipopolisacárido (reacción 6) y el bactoprenol fosfato es regenerado por hidrólisis del bactoprenol pirofostato (reacción 7).

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3. Inhibidores de la Biosíntesis de la Pared Celular:

a) Penicilinas y CefalosporinasLas penicilinas y cefalosporinas tienen una estructura química similar, siendo el elemento común el

anillo B-lactam (Figura No.6 ). Estos antibióticos son agentes bactericidas, más efectivos contra bacterias Gram positivo que contra Gram-negativo, matando solamente a células en crecimiento. Actúan inhibiendo la reacción de transpeptidación, que es la última reacción en la síntesis del mucopéptido (Figura No. 3 ). La configuración molecular de estos antibióticos es similar a la del extremo D-alanil D-alanina de la cadena lateral penta-peptídica del mucopéptido. Se cree que los antibióticos reaccionan con la transpeptidasa formando un complejo antibiótico-penicilina, el cual evita que la enzima participe en la reacción. La resistencia bacteriana a estos antibióticos se debe generalmente a la presencia de una B-lactamasa, cuya producción es gobernada por un plásmido. Las B-lactamasas son enzimas que hidrolizan el anillo B-lactam de las penicilinas y cefalosporinas (Figura No. 7).

b) Cicloserina:

La D-cicloserina es un antibiótico producido por Streptomyces , que tiene una reacción bactericida debido a que tiene una estructura anóloga a la D-alanina (Figura No. 8 ). El antibiótico inhibe el transporte de la D-alanina y es un inhibidor competitivo de la alanina racemasa y la D-alanil-D-alanina sintetasa, enzimas importantes en la síntesis de nucopéptido. La resistencia a cicloserina en E. coli es debida a una capacidad menor para transportarla.

c) Vancomicina:

La vancomicina es un antibiótico producido por Streptomyces orientalis,que inhibe la transferencia del disacárido pentapéptido del bactoprenol pirofosfato al externo aceptor del mucopéptido (Figura 2, reacción 5). Es más efectiva contra bacterias Gram positivo).

d) Bacitracina:

La bacitracina es un antibiótico polipeptídico producido por especies de Bacillus, que es activo contra bacterias Gram positivo y Neisseria. Se usa sólo en forma local. La bacitracina inhibe la hidrólisis del bactropenol pirofosfato a bactroprenol fosfato (Figura No. 2, reacción 6), impidiendo que pueda ser utilizado nuevamente para la síntesis del mucopéptido.

Conservación de la energía:En los quimiotrófos, es decir, en aquellos microorganismos que usan compuestos químicos como donadores de electrones en el metabolismo energético, se conocen dos mecanimos de conservación de energía: la fermentación y la respiración. En cada caso el resultado final es el mismo: la síntesis de ATP, una reacción endotérmica. Esta reacción, que necesita energía, se acopla con una u otra de las reacciones que liberan energía (exotérmicas) y que ocurren durante el catabolismo del donador de electrones. Desde el punto de vista de las reacciones redox, la fermentación y la respiración difieren en lo siguiente: (1) en la fermentación el proceso redox ocurre en ausencia de aceptores finales de electrones; mientras que (2) en la respiración, el oxígeno molecular o algún otro aceptor de electrones funciona como aceptor final de electrones. En la fermentación, la oxidación está acoplada a la reducción de un compuesto que se genera a partir del propio sustrato inicial; por tanto, no implica intervención de ningún concepto externo de electrones.

Además de esta diferencia, la fermentación y la respiración son procesos distintos en cuanto al mecanismo por el que se sintetiza ATP. En la fermentación, el ATP se produce mediante un proceso llamado fosforilación a nivel de sustrato, en el que el ATP se forma durante los pasos del catabolismo de un compuesto orgánico (Figura 5.3ª). Esta se diferencia de la fosforilación oxidativa (que se explicará más adelante), que produce ATP a expensas de la fuerza motriz de protones (Figura 5.13b). Una tercera forma de lograr la síntesis del ATP es mediante fotofosforilación, que ocurre en organismos fotosintéticos, pero cuyo mecanismo básico es similar a la fosforilación oxidativa excepto que es la luz, en lugar de un compuesto químico, la que inicia las reacciones de oxidación.

La glucolisis como ejemplo de fermentación:Una fermentación es una reacción de oxidación-reducción interna equilibrada en la que algunos átomos de la fuente de energía (donador de electrones) se reducen mientras otros se oxidan, y la energía se produce por fosforilación a nivel de sustrato. Una ruta bioquímica muy usada para la fermentación de la glucosa es la glucolisis, también denominada via de Embden-Meyerhof en atención a sus descubridores. Se conocen otros tipos de fermentación, algunos de los cuales se presentan en el Capítulo 17. La glucolisis se puede dividir en tres etapas principales, cada uno de las cuales comprender una serie de reacciones individuales catalizadas enzimáticamente (5.14). La etapa 1 incluye una serie de reacciones preparatorias que no implican ni oxidación ni reducción y que no liberan energía, pero que conducen a la producción a partir de glucosa de dos moléculas del intermediario clave gliceraldehido 3-fosfato. En la etapa II ocurre un proceso de redox, la energía de conserva en forma de ATP, y se forman 2 moléculas de piruvato. En la etapa III tiene lugar una segunda reacción redox y se originan los productos de fermentación (por ejemplo, etanol y CO2 ó ácido láctico (Figura 5.14).

Etapas I y II:Reacciones preliminares y reacciones redox.

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En la etapa I, la glucosa es fosforilada por el ATP dando lugar a glucosa-6-fosfato, que es convertida a continuación a una forma isomérica, la fructosa-6-fosfato, que mediante una segunda fosforilación se convierte en fructuosa-1-6-difosfato, que es un metabolito intermediario clave de la glucolisis. Si se fermentan otros azúcares distintos a la glucosa, se convierten antes a fructosa-1-6-difosfato para poder ser utilizados por la ruta de Embden-Meyerhor. La enzima aldolasa cataliza la rotura de la frutosa-1-6-difosfato en dos moléculas de tres átomos de carbono, el gliceraldehído-3-fosfato y su isómero dihidroxiacetonafosfato (véase Figura 5.6).++ Existe una enzima que cataliza la interconversión de dihidroxiacetona-fosfato a gliceraldehído-3-fosfato pero, para simplificar, se considera sólo este último ya que es el que será , metabolizado. Nótese que hasta ahora no ha ocurrido ninguna reacción redox y que todas las reacciones, incluyendo las del consumo de ATP, tienen lugar sin transferencia de electrones.

La primera reacción redox de la glucolisis tiene lugar en la etapa II durante la conversión del gliceraldehído-3-fosfato a ácido 1,3-difosffoglicérico. En esta reacción (que ocurre dos veces, una por cada molécula de glicerldehído-3-fosfato), una enzima cuyo coenzima es NAD+ acepta dos átomos de hidrógeno y el NAD+ se convierte en NADH; la enzima que cataliza esta transformación se llama gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenada. Simultáneamente, cada molécula de gliceraldehído-3-fosfato es fosforilada por la adición de una molécula de fosfato inorgánico. Esta reacción, en la que el fosfato inorgánico se convierte en orgánico, prepara el escenario para la conservación de la energía por fosforilación a nivel de sustrato; la formación de ATP es posible porque cada uno de los fosfatos de la molécula de ácido 1,3-difosfoglicérico presenta un enlace de alta energía (véase Figura 5.12). La síntesis de ATP tiene lugar cuando cada molécula de ácido 1,3-difosfoglicérico se convierte en ácido 1,3-fosfoglicérico y cuando más tarde en la vía, cada molécula de fosfoenolpiruvato se convierte en piruvato (Figura 5.14).

En la glucolisis, se consumen dos moléculas de ATP en las dos fosforilaciones de la glucosa y se sintetizan cuatro moléculas de ATP (dos por cada molécula de ácido 1,3-difosfoglicérico convertida a piruvato). Por tanto, la ganancia netal del organismos es de dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa fermentada.

Etapa III:Producción de productos de fermentación.Durante la formación de dos moléculas de ácido 1,3-difosfloglicérico, se reducen dos moléculas de NAD* a NADH (véase Figura 5.14). Sin embargo, las células contienen sólo una pequeña cantidad de NAD, y si todo se convirtiera en cantidad de NAD+, y si todo se convirtiera en NADH se detendría la oxidación de la glucosa. La oxidación continuada del gliceraldehído-3-fosfato sólo puede aceptar los electrones liberados. Este <<bloqueo>> se supera en la fermentación mediante la nueva oxidación de NADH a NAD, a través de reacciones que suponen la reducción del piruvato a una extensa variedad de productos de fermentación. En el caso de las levaduras, el piruvato se reduce a etanol y se libera C02. En las bacterias del ácido láctico, el piruvato se reduce a lactato (véase parte inferior de la Figura 5.14). Se conocen muchas rutas para la oxidación del piruvato en procariotas fermentativos (véanse Capítulos 12 y 17) pero el resultado final es el mismo; el NADH debe volver a la forma oxidada NAD+, a fin de que las reacciones que liberan energía en la fermentación puedan continuar. Como enzima difusible, el NADH puede soltarse de la enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenada y unirse a una enzima que reduzca el piruvato a ácido láctico (lactato deshidrogenada) y difundir de nuevo, haciendo que el ciclo de reconversión del NADH a NAD+ y de NAD+ a NADH se repita otra vez (véase la Figura 5.11 para detalles de este mecanismo).

En cualquier proceso que produzca energía, la oxidación debe acompañarse de una reducción y debe haber un aceptor de electrones por cada electrón cedido. En este caso, la reducción del NAD+ en un paso enzimático de la glucolisis se equilibra con su oxidación en otro paso. Los productos finales deben estar también en equilibrio redox con el sustrato inicial, la glucosa. De aquí que los productos que aquí se generan, etanol más C02 o lactato más protones, estén en equilibrio atómico y electrónico con la glucosa inicial.

Fermentación de la glucosa: resultados netos y aplicación práctica.El resultado final de la glucolisis es el consumo de glucosa, la síntesis neta de dos ATPs y la formación de productos de fermentación. Para el organismo, el producto importante es el ATP, que se usa en multitud de reacciones que requieren energía, y los otros productos de fermentación son meros productos de desecho. Sin embargo, estos últimos no son considerados como tales por los destiladores, cerveceros, productores de derivados lácteos o panaderos (véase el recuadro “Los productos de fermentación de la levaduras). Por todo ello, la fermentación no es sólo un proceso que produce energía, sino un medio de obtener productos naturales que son de utilidad para el consumo humano. En el Capítulo 30, expondremos la formación de productos industriales por fermentación con más detalle.

MDCB/amlj*

Marzo de 2,011.

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