Metabolismo procariotico: catabolismo e anabolismo in biologia

BLOC 4: METABOLISME PROCARIOTA

TEMA 11: CATABOLISME: OBTENCIÓ I CONSERVACIÓ DE L'ENERGIA

Quimiòtrofs: quimioorganotròfia, quimiolitotròfia Fototrofs: quimiolitotròfia, fototròfia Catabolisme: produeix metabolits precursors, energia (ATP), productes reductors (NADH/NADPH2). Aquests s'utilitzaran en processos biosintètics. El producte final de la cadena d'electrons pot ser oxigen o un altre element: NO3 , SO4-2 ... Però pot passar que no hi hagi un acceptor final d'electrons, no es pugui regenerar el NADH i es doni la fermentació. Fotosintètics: Fotoautotrofs o fotoheterotrofs depenent de la font de C. Moneda energetica: ATP: ADP + Pi, dels seus enllaços fosfat no tot porten energia associada. Sempre es produeix energia que s'utilitzarà en el transport i en el treball mecanic per la fosforilació a nivell de substrat i per fosforilació oxidativa, que està lligada a la cadena de transport d'electrons: es genera un gradient de protons a través de l' ATPasa: té una part dins de la membrana i una altre al citoplasma. Les unitats ß estan en el citoplasma i van girant i canviant de conformació: es queda buida , permet l'entrada de P i ADP, es crea ATP i es buida. Les bactèries que no tenen cadena de transport d'electrons i per tant no tenen gradient funcionen al revés l'ATPasa: destrueix ATP i genera ADP i protons. La força motriu de protons serveix per fer ATP, moure el flagel i per al transport actiu.

Proteins Polysaccharides Lipids Stage 1 Amino acids Monosaccharides Glycerol + Fatty acids GLUCOLISI ATP NADH Stage 2 NAD NH Pyruvate NADH Acetyl-CoA Oxaloacetate Citrate Stage 3 ATP NADH FADH. Tricarboxylic acid cycle La co 11 «-Ketoglutarate 1 CoQ 1 ATP Succinyl-CoA CO Cytochromes Electron transport chain

3 ETAPES DEL CATABOLISME

C Glucosa-6-P Fructosa-6-P 3-fosfoglicerat Dihidroxiacetona-P Fosfoenolpiruvat Piruvat EMP Ribosa-5-P Eritrosa-4-P Pentoses fosfat a-cetoglutarat Succinil-COA Oxalacetat Acetil-CoA TCA Metabolits precursors: Glucosa 6P, Fructosa, 6P Ribosa, 5P Eritrosa, 4P Triosa, P 3-Fosfoglicerat, Fosfoenolpiruvat, Piruvat, Acetil Coa, a-Cetoglutarat, Oxalacetat i Succinil CoA. Catabolisme organoautòtrof: font de C inorganica i d'energia C organic. Si hi ha respiració es fa ATP, sino es fa fermentació. Catabolisme quimiorganoheterotrof: energia i C ve de compostos organics.

CATABOLISME AUTÒTROF DE LA GLUCOSA

1. Glucolisi: en la primera part es dona la fosforilació/activació de la glucosa per a convertir-la en dos trioses. En la segona part es dóna la oxidació i fosforilació de les trioses: 2 fosforilacions a nivell de substrat. D'una glucosa es produeixen 2 ATP ( es produeixen 4 però se'n consumeixen 2), 2 piruvats i 2 NADH. Isocitrate FADH2. Ruta d'Enter-Doudoroff: exclusiva en procariotes, sobretot en gram -. La glucosa 6'P és oxidada directament a fosfoglicerat, es tracta d'una alternativa a la glucolisi. Es formen 5 precursors: Glucosa 6P, Piruvat, Gliceraldehid 3P, PEP i3 Fosfoglicerat. NADPH2 els electrons que recull son sobretot utilitzats en vies fotosintetiques i els del NADH en el catabolisme. 3. Ruta de les pentoses fosfat: la primera part del cicle és oxidativa, de glucosa a fosfogluconat Aquest és deshidratat/oxidat produint NADH. Aquest pas es important en la fixació del CO2.En la segona part es produeixen transformacions entre els diferents sucres i això permet que es formin d'intermediaris ribosa 5P i eritrosa 4P: precursors d'acids nucleics i d'aminoacids. No produeix energia però es produeix NADP i precursors del metabolisme fotosintètic. Es dona tan en procariotes com en eucariotes. Junt amb la glucolisi i la ruta d'Enter-Doudoroff és una ruta amfibòlica: produeix precursors de les rutes fotosintètiques. 4. Cicle de Krebs: tercera etapa del catabolisme. El piruvat es transformat a acetil-coa. Ve catalitzat per piruvat deshidrogenasa. Acetil-coa passa per un cicle i es va transformant. I s'acaben produint 3CO2 + 4 NADH + 4H+ 1 FADH2 + 1H+ 1 ATP. També es formen precursors del metabolisme fotosintetic: ribosa 5P i eritrosa 5P. Es una ruta anaplerotica: es renoven les molécules de la ruta per a que no s'acabi el cicle-> reomplir els intermediaris que es fan servir per a altres rutes cataboliques. En bactéries anaerobiques l'acetoglutamat dh i el succinat dh no funcionen i no poden avançar el cicle, però aquest pot seguir obtenint els precursors per dos branques diferents deixant de ser cíclic. Es generen 4 precursors: Acetil CoA, Oxalacetat, a-cetoglutarat i Succinil CoA. 5. Cicle del glioxilat: es pot fer servir amb nomes 2 C, a partir d'acetat. Permet remuntar la glucòlisi. En el metabolisme hi ha una modulació, no segueix 100% les vies, s'adapta als elements que té. 6. Cadena de transport d'electrons: successió de molecules lligades a la membrana, capten electrons que venen dels coenzims reduïts NAD, i se'ls van passant fins al acceptor final: oxigen. Totes les molécules tenen capacitat de reduir-se i oxidar-se, la seva posició depèn del potencial d'oxido-regulació. Ex: O2: - 0,8V, molta afinitat per reduir-se. És modular, en cada bacteria és diferent. El diferent gradient es genera ja que els moduls son proteïnes que estan a la membrana i quests poden transportar protons a part d'electrons. La quantitat d'energia ve de la diferencia de potencial entre aceptor i donador, com més gran més protons, més energia. Components de la cadena: molecules que poden ser periferiques o integrals a la membrana. Poden reduir-se i oxidar-se. Algunes transporten electrons i altres electrons i protons. NAD: metabolismes oxidatius. Es el donador d'electrons. NADP: en metabolismes fotosintetics. Són solubles. · Flavoproteïnes: transporten electrons. Potencial de FSD més electropositiu que el NAD: aquest li cedeix electrons. . Quinones: en totes les bacteries. Transporten electrons i protons. · Citocroms: tenen un grup prostètic emo (Fe), només transporten electrons. Ho ha de diferents tipus: A,B i C. Amb un anell porfirínic. Cada 3 protons es forma un ATP, cada un NADH 3 ATP i cada un FADH dos ATP.Les cadenes de transport d'electrons estan en la membrana citoplasmatica en procariotes i en ribosomes en eucariotes. També és diferent la composició: en procariotes l'últim transportador és bd o bo (si hi ha O2). I el rendiment es millor en eucariotes, els reals en procariotes són molt més baixos que els teòrics. Inhibició de la sintesi d'ATP per fosforilació oxidativa: · Inhibició de la cadena de transport d'electrons: anticimina A, cianur, CO, azida. . Agents desacoplants del gradient de protons: crear forats a la membrana de manera de manera que els protons passen lliurement per la membrana: dinotrifenol.

Glucose ATP ADP - Glucose 6-phosphate Six-carbon stage Fructose 6-phosphate ATP ADP: Fructose 1,6-bisphosphate Aldolase Glyceraldehyde-3-P Dihydroxyacetone- NAD" P. NADH + H Three-carbon stage 1,3-bisphosphoglycerate ADP Substrate-level phosphorylation ATP 3-phosphoglycerate 2-phosphoglycerate + H.O Phosphoenolpyruvate ADP Substrate-level phosphorylation ATP Pyruvate Fructose-6-P Fructose-1,6-bis P Pyruvate Fructose-1,6-bis P Pyruvate Glucolisi Ruta d'Etner-Doudoroff Ruta de les pentoses P CICLE DE Pyruvate CoA Pyruvate H-C-C-S-CoA COA CO2 - NAD Acetyl-CoA Oxaloacetate Citrate ayrethans CONSH ATP NADH + H ADP+Pi 44 co Oxaloacetate GLYOXYLATE CYCLE HO-C -0 O COASH 0-c- -S-COA H NADH + H Oxaloacetate Citrate NAD' Cis-aconitate -Malate H,O L-Malate 0=0 Glyoxylate H-0-0-0 6 carbons H,O Isocitrate Isocitrate Fumarate Isocitrate Fumarate NAD ADH, FADH, Fumarat reductasa NADH + H H- H-C-H HO 0 x-Ketoglutarate Succinate -CoASH CoASH NAD OTP Succinyl-CoA NADH + H" GTF Succinyl-CoA NADH + H" Succinyl-CoA Overall equation: 2 Acetyl-CoA + FAD + 2NAD" + 3H,O -> Oxaloacetate + 2CoA + FADH, + 2NADH + 2H 2N PART Metabolisme d'organisme quimioorganotròfics 1. Sense oxigen: pot haver acceptor final d'electrons diferent al oxigen o que no hi hagi acceptor o fins i tot que no hi hagi cadena. La diferencia de potencial entre el donador i el acceptor és més baixa que amb O2. Ex: acceptors finals d'electrons: NO3", SO4-2, CO2. La bacteria sempre utilitzarà el que li aporti més energia. 3NADP* 3NADPH + 3H* 3 glucose-6-P- 6-phosphogluconate 3 ribulose-5-P 3 glucose-6- 3 6-phosphogluconate- 3 ribulose-5-P 3HỌC aco 3H.O 300 Xylulose-5- P Transketolase Transketolaso Glyceraldehyde-3- Sedoheptulose-7-P Glyceraldehyde-3-P Sedoheptulose-7-P Transaldolase Transaldolase Fructose-6-P Erythrose-4-P Xylulose-5-P Fructose-6-P Erythrose-4-P Xylulose-5-P Transketolase Transketolase Fructose-6-P Glyceraldehyde-3-P Fructose-6-P Glyceraldehyde-3-P P P Succinate co -Ketoglutarate CoASH NAD C-S-COA GDP P CO. P. CO. KREBS - NAD NADH + H -co Acetyl-CoA (2 carbons) NADH + H Oxaloacetate Citrate HO Citrate Acontase HO Acetyl-CoA NAD' Cis-aconitate HC I-0=0- 6 carbons HO Fumarate NAD 4 carbons 5 carbons NADH + H' FAD . FAD - 5 carbons «-Ketoglutarate Succinate 3NADP 3NADPH + 3H 3NADP* 3NADPH + 3H 3NADP' 3NADPH + 3H Ribose-5- P Xylulose-5- P Ribose-5-P HO M H-C-6 -C-C- Acetyl-CoA (2 carbons) O Y C-OH 4 carbons CO -c-c-0 CoASH GDP Fructose-6- 2-1Respiració aerobia > respiració anaerobia > fermentació · Reducció desassimilativa= Respiració > la finalitat al fixar un substrat és produir un cicle per aconseguir energia. · Reducció assimilativa = assimilació-> la finalitat al fixar un substrat és utilitzar-lo per produir molecules organiques. En la desassimilativa els electrons venen de la cadena de transport d'electrons i en l'assimilatoria no tenen perquè. La quantitat en la desassimilativa és justa, en l'assimilatòria és excessiva. La respiració i la assimilació són processos diferents però poden haver connexions entre els dos. 2. Respiració de nitrats Desnitrificació: NO3 > NO2 >NO -> N20 -> N2 Prova del nitrat: per saber si el bacteri respira nitrats, es fa la prova i per que sigui positiva ha de donar coloració vermella pel NO2, tot i que pot ser que no doni vermell i sigui positiva, llavors ho sabrem afegint zinc que reaccionarà amb el N2. L'enzim per fixar NO2 de NO3, el nitrat reductasa, està al citoplasma o a la membrana. El del citoplasma nomes pot funcionar so no hi ha oxigen al medi. En canvi quan es fa respiració aeròbia s'utilitza el de la membrana. 3. Respiració de sulfats Ens permetrà incorporar S. Els 12 precursors de metabolits ens donen C,H,O i P. Però per fer biomolecules també es necessita P i S que s'incorporen a partir de nitrats i fosfats. El sulfat es poc reactiu, primer s'ha d'activar amb adenosin fosfo sulfat. Llavors ja es pot donar la cadena de transport d'electrons donant H2S que és excretat rapidament perquè és toxic. O es pot donar que es torni a activar i es redueixi a H2S, però al ser assimilativa només es fa de H2S el minim necessari per fer proteïnes. En l'assimilació es controla la quantitat, en la respiració no. ATP ADP ATP PP SO,2- APS PAPS ATP sulfurylase 2 e APS reductase APS kinase NADPH NADAL +PAP AMP SO22 SO22- 6 e 6 e Sulfite reductase H2S H2S 1 Į Excretion Organic sulfur compounds (cysteine, methionine, and so on) Assimilar sulfat ho fan molts procariotes, respirar no. Per activar el SO4-2 necessitem ATP, que passarà a ADP. Les bactèries que fan respiració de sulfats s'anomenen desulfo -... Les bactèries en la respiració aerobia fa d'enzim el PDH: piruvat deshidrogenasa, que porta el piruvat a acetil coA produint CO2 i NADH + H+. Però en anaerobies el PDH no funciona i utilitzen el PFL que produeix acid formic que sera transformat a CO2 i H2. 4. Fermentació

RESPIRACIÓ DE NITRATS (Reductors de nitrats)

Nitrate NO,- Nitrate reductase Nitrate reduction (Escherichia coli Nitrite NO,- Nitrite reductase Nitric oxide NO Nitric Oxide reductase Gases Nitrous oxide N,O Nitrous oxide reductase Dinitrogen N Denitrification (Pseudomonas stutzeri) Dissimilative sulfate reduction Assimilative sulfate reduction