Autotrofía y heterotrofía. Macronutrientes y micronutrientes. Nutrientes universales y particulares.

Fijación del CO2. Fijación de N2. Factores de crecimiento. Captación de nutrientes

Conceptos básicos (I)

Nutrición: captación del medio de las sustancias para crecer (= nutrientes).

Los nutrientes se necesitan para Fines energéticos (en quimiotrofos)

mantenimiento Fines biosintéticos (anabolismo,

reacciones plásticas)

Conceptos básicos (II) Punto de vista de los fines de aprovisionamiento de

energía: Litotrofía: solo requieren sustancias inorgánicas sencillas

donantes de electrones : SH2, S0, NH3, NO2-, Fe2+

Organotrofía: requieren compuestos orgánicos (hidratos de C, hidrocarburos, lípidos, proteínas, alcoholes, etc)

Punto de vista biosintético (fuente de C): autotrofía: fijación del CO2

heterotrofía: fuente orgánica de carbono

Otros conceptos: autotrofía estricta: no pueden crecer usando materia orgánica mixotrofía: metabolismo energético litotrofo, pero usan fuente

orgánica de C para su metabolismo biosintético

Catabolismo y anabolismo: papel de la obtención de energía en vincular estos procesos

Quimiorganotrofos respiradores: fuente de C suministra los electrones y es origen del material celular

Quimiolitotrofos: fuente de electrones inorgánica. El C celular viene del CO2 (autotrofía)

Requerimiento de nutrientes comunesTodas las bacterias necesitan captar elementos químicos, que según las cantidades en que son requeridos se clasifican en:

En la naturaleza, estos elementos se encuentran combinados, formando parte de sustancias orgánicas o inorgánicas. Algunos serán incorporados para construir macromoléculas y estructuras celulares; otros solo sirven para la producción de energía; finalmente, otros pueden ejercer ambos papeles.

Macronutrientes: C, H, O, N, P, S, K, Mg, Ca, Fe

Micronutrientes (trazas): Mn, Co, Cu, Zn, Mo, Ni, etc.

Diversidad metabólica de los microorganismosEl mundo microbiano es de una sorprendente diversidad metabólica. Algunos metabolismos solo han evolucionado en procariotas. Ejemplos:En heterotrofos: desde metilotrofos (usan metano

o metanol) hasta los versátiles Pseudomonas, que usan más de 100 tipos de C orgánico, incluyendo hidrocarburos alifáticos y cíclicos

Los quimiolitoautotrofos crecen en oscuridad en medios a base solamente de sales minerales

La fijación de N2 solo ha evolucionado en procariotas

Clases de nutrientes Universales (los requeridos en esta forma por

todos los procariotas): H2O, CO2, fosfatos y sales minerales

Particulares: elementos que se pueden captar de diferentes maneras, según especies: N y S.

Especiales: los microorganismos pueden tener necesidades especiales. Ej:Las diatomeas necesitan ácido silícicoLas bacterias halófilas requieren grandes

cantidades de Na (mares) Factores de crecimiento

El agua El agua es:

el principal constituyente del protoplasto bacteriano;

el medio universal donde ocurren las reacciones biológicas;

un reactante en exceso (es decir, un producto resultante de algunas reacciones bioquímicas). 

Fuentes de agua:endógena (procedente de oxido-reducciones)exógena (la mayoría) procedente del medio, y

que difunde a través de las membranas. 

El agua La disponibilidad de agua se mide como actividad de agua

(potencial de agua; aw)

aW= PS/PW .

Donde PS es la presión parcial de vapor de agua en la solución problema y PW es la

presión parcial de vapor del agua destilada.

Las bacterias tienen valores de aw normalmente entre 0.90 y 0.99en bacterias que viven en sangre y fluidos, aw = 0.995

en bacterias marinas. Vibrio, Pseudomona aw = 0.980microorganismos xerófilos (aw en torno a 0.75)

arqueas halófilas extremas (Halobacterium)levaduras sacarófilas, que viven en zumos y jugos

El Carbono

El C es necesario para construir el esqueleto de todas las moléculas orgánicasAutótrofos: pueden usar CO2 como única fuente de CHeterótrofos: emplean moléculas orgánicas preformadas y reducidas como fuente de CLos microorganismos tienen gran flexibilidad con respecto a la fuente de C

Fijación del CO2 La reducción o incorporación del CO2 requiere una

gran cantidad de energía. Casi todos los autótrofos microbianos incorporan CO2

mediante el Ciclo de Calvin. Tiene lugar en los cloroplastos (eucariotas) o carboxisomas (procariotas).

La formación de glucosa a partir de CO2 puede resumirse:

6CO2 + 18 ATP +12NADPH + 12H+ + 12H2O glucosa + 18(ADP+Pi) + 12NADP+

Los azúcares formados pueden usarse para sintetizar otras moléculas esenciales

El CO2

El CO2 es requerido por todo tipo de bacterias.Los autotrofos lo requieren como fuente de C, y lo

reducen usando como fuente de energía○ sustancias químicas : quimioautotrofos○ la luz: fotoautotrofos

Las arqueas metanogénicas lo pueden usar como aceptor final de electrones en la respiración, produciendo CH4. Además, algunas lo usan también como fuente de C

Los heterotrofos necesitan pequeñas cantidades de CO2 para sus carboxilaciones en rutas metabólicas

El CO2

El origen del CO2 puede ser:

Endógeno: procedente de descarboxilaciones que ocurren al degradar la fuente orgánica de carbono

Exógeno: el CO2 de la atmósfera o disuelto en las soluciones

acuosas

Normalmente, las bacterias crecen a la concentración de CO2

atmosférico (0.03%), pero algunas bacterias (Neisseria, Brucella), cuando se aislan por primera vez, requieren atmósferas enriquecidas, con 5-10% de CO2. (capnofilia o

microaerofilia)

Fosfatos El P suele requerirse en forma de fosfatos

Bacterias que usan fosfatos orgánicos poseen fosfatasas extracelulares (secretadas) en Gram-positivas, periplásmicas en Gram-negativas

Fosfatos inorgánicosLas bacterias que usan fosfatos orgánicos no dependen de

ellos, ya que también pueden usar fosfatos inorgánicos

El fósforo se usa principalmente para la síntesis de los ácidos nucleicos y los fosfolípidos, pero aparece también en coenzimas y en proteínas.

Sales minerales: cationes Ion Potasio K+

en activación de enzimas asociado con Ac. teicoicos de Gram+

Ion Magnesio Mg2+

estabiliza ribosomas, membranas y ácidos nucleicos cofactor en reacciones con ATP en clorofilas y bacterioclorofilas

Ion Calcio Ca2+ cofactor de enzimas como proteinasas

El Hierro como ion Fe2+ en citocromos, FeS-proteínas cofactor en enzimas

Oligoelementos o micronutrientes Mn2+ (cofactor de ciertas enzimas) Co2+ (vitamina B12) Zn2+ (estabiliza ADN-polimerasas y ARN-

polimerasas) Mo (en molibdoflavoproteínas, en la

asimilación de nitratos. Cofactor en el complejo nitrogenasa)

Ni (en hidrogenasas, enzimas que captan o liberan H2)

Nitrógeno y azufre

Los elementos N y S son requeridos por

todos los seres vivos, se encuentran en la

célula en estado reducido:El -NH2 forma parte de los aminoácidos y de las

bases nitrogenadasEl radical –SH interviene en aminoácidos y

coenzimas

Captación de N y SEl N y el S pueden ser captados de modos distintos,

según capacidades biosintéticas. En forma combinada inorgánica oxidada:

NO3- (acción de nitratorreductasas y nitritorreductasas

asimilatorias) NH3 N orgánico

SO42- (se activa con ATP, y luego se reduce a SO3

2- y

finalmente hasta SH2 entra a comp. Orgánicos

En forma combinada reducida N reducido inorgánico: NH4

+

S reducido inorgánico: S2-, SH-

N reducido orgánico: aminoácidos, péptidos S reducido orgánico: cisteína

Fijación de N2

La capacidad de nutrición nitrogenada a partir del N2 atmosférico (N libre, no combinado) solo ha evolucionado en ciertos procariotas: procariotas diazotrofos o fijadores de nitrógeno

N2 + 8H+ + 8e- + 18 ATP 2NH3 + H2 + 18(ADP+Pi)

Catalizada por el complejo enzimático nitrogenasa: Comp. I (= nitrogenasa propiamente dicha): MoFe-

proteína (cofactor FeMoCo) Comp. II (=nitrogenasa reductasa ): Fe-proteína

Mecanismo de la fijación de N2 Los electrones llegan al complejo por medio de

una FeS-proteína no hémica (ferredoxina o flavodoxina)

Los e- se transfieren a la nitrogenasa reductasa se reduce, liga 2 ATP y se une a la dinitrogenasa

La dinitrogenasa se reduce, los ATP se hidrolizan, mientras la nitrogenasa reductasa se disocia y queda preparada para otra ronda de transferencia de electrones

El dinitrogenasa reducida cede (a través de su FeMoCo) electrones al N2 y junto con protones NH3

Mecanismo de acción del complejo nitrogenasa

Peculiaridades de la fijación de nitrógeno Grandes exigencias energéticas (al menos 18

ATP), debido a que el triple enlace NN tiene una alta energía de disociación (N2 es muy inerte) requiere mucha energía activación

N2 + 8H+ + 8e- + 18 ATP 2NH3 + H2 + 18(ADP+Pi)

Extrema sensibilidad de la nitrogenasa al oxígeno rápida e irreversible inactivación

El N combinado (nitratos, amonio, aminoácidos) provoca: inhibición de la actividad nitrogenasa represión de la transcripción de los genes de fijación (nif)

Rhizobium - simbiosis con leguminosas

Factores de crecimiento Son moléculas orgánicas, componentes celulares esenciales, que

no pueden ser sintetizados por el microorganismo, los toman del

ambiente, y son requeridos en muy pequeñas cantidades

Existen 3 clases principalesAminoácidos: síntesis de proteínasPurinas y pirimidinas: síntesis de ácidos nucleicosVitaminas: cofactores enzimáticos

Ejemplos: Brucella requieren biotina, niacina, tiamina y pantoténico Haemophilus necesita hemo y piridín-nucleótidos

Factor o vitamina funciones principalesp-aminobenzoico (PABA) precursor del ácido fólicoAcido fólico metabolismo de compuestos C1, transferencia

de grupos metiloBiotina biosíntesis de ácidos grasos; fijación de CO2

Cobalamina (vitamina B12) reducción y transferencia de compuestos C1; síntesis de desoxirribosa

Niacina (ácido nicotínico) precursor del NAD; transferencia de electrones en reacciones redox

Riboflavina precursor de FAD y FMN  ácido pantoténico precursor de la CoATiamina (vitamina B1) descarboxilaciones; transcetolasas.Complejo B6 (piridoxal, piridoxamina)

transformaciones de aminoácidos y cetoácidos

Grupo Vitamina K, quinonas transportadores de electrones (ubiquinonas, menaquinonas, etc.)

Factores de crecimiento

Prototrofos y Auxotrofos

PROTOTROFO: Un microorganismo que precisa de los mismos nutrientes que la mayoría de los miembros de su especie

AUXOTROFO: Un microorganismo mutado que carece de la capacidad para sintetizar un nutriente esencial, y por ello debe obtenerlo (o a su precursor) del ambiente.

Captación celular de nutrientes Los microorganismos utilizan varios

sistemas de transporte diferentes. Los más importantes son:

Difusión simpleDifusión facilitadaTransporte activoTraslocación de grupo

Difusión simple

Depende de la diferencia de gradiente de concentración entre el exterior y el interior de la célula, y de la permeabilidad de la membrana

La concentración externa del nutriente debe ser alta

Solo moléculas pequeñas pueden atravesar la membrana: H2O, O2, CO2, glicerol.

Difusión facilitada Intervienen proteínas

transportadoras, integradas a la membrana: permeasas

Las permeasas tienen afinidad específica por la sustancia que transportan.

El movimiento depende del gradiente de concentración sin gasto de energía

El proceso es reversible

Transporte activo Permite el transporte de

moléculas en contra de un gradiente de concentración, con gasto de energía

El complejo proteico de membrana tiene varias subunidades: poro

La fuente de energía puede ser: ATP, compuestos de fosfato de alta energía, fuerza protón motriz.

Transporte por gradiente de H+ SIMPORTE: transporte combinado de dos sustancias en

la misma dirección

Ej. Simporte de H+: La energía almacenada en el protón facilita el transporte del soluto. Se utiliza para captar aminoácidos y ácidos orgánicos

ANTIPORTE: Sistema combinado de transporte por el que las sustancias se desplazan en direcciones opuestas.

Ej. Como respuesta al ingreso de H+ se bombean iones Na+ al exterior. El gradiente de sodio generado dirige la captación de azúcares y aminoácidos

Traslocación de grupo

Una molécula es transportada al interior celular después de alterarse químicamente

Ej. Sistema Fosfoenolpiruvato-Fosfotransferasa de azúcares

PEP + azúcar (exterior) / piruvato + azúcar-P (interior)

Sistema PEP - PTS

Captación de Fe La captación de Fe es difícil debido a la

insolubilidad del ion Fe3+

Los sideróforos son moléculas de bajo PM capaces de formar complejos de Fe3+ y aportarlos a la célula

Los mo secretan sideróforos cuando hay poco Fe disponible. E complejo Fe-siderof se une a la prot receptora del sideróforo. Dentro de la célula el Fe se reduce a Fe2+