Respiraciones anaeróbicas. Bacterias sulfato reductoras.

Respiraciones anaeróbicas

Bacterias sulfato reductoras.

Metabolismo asimilativo y desasimilativo

Reducción de compuestos NO^3-, SO₄^2-, CO₂

Metabolismo Asimilativo

-NH₂, -SH

Integración al metabolismo

Metabolismo Desasimilativo Respiración anaerobia

Eliminación

Bacterias, arqueas, hongos,

algas y plantas Procariotes

Reducción del

nitrato

Nitrógeno

orgánico (R-NH₂) -3 Amonio (NH₃) -3 Nitrógeno gas

(N₂) 0

Oxido nitroso

(N₂O) +1

Oxido nítrico

(NO) +2

Nitrito (NO₂^-) +3 Dióxido de

nitrógeno (NO₂) +4 Nitrato (NO₃^-) +5 Genes involved in the sequential reduction of

nitrate. http://www.geosc.psu.edu/~mbachmann/

Reducción asimilativa y

desasimilativa del nitrato

Reducción del nitrato

•Metabolismo desasimilativo

Desnitrificación

•Complejo NADH deshidrogenasa (DH).

•Nitrato reductasa (NAR).

•Nitrito reductasa (NIR).

•NO reductasa (NOR).

•N₂O reductasa (N₂OR).

N0

→ NO

→ NO → N

O → N

Bacterias desnitrificantes totales o verdaderas

•Paracoccus denitrificans

Bacteria quimiolitótrofa del hidrógeno que puede emplear también compuestos de azufre. Crece autotróficamente en CO₂ y como metilotrofo en compuestos de C1 como metanol y metalamina.

•Pseudomonas stutzeri

Bacteria Gram negativa quimioheterótrofa no fermentadora , no fluorescente,se encuentra en el suelo y puede vivir de manera saprófita en los humanos, no patógena.

Respiración con nitratos

N0

+ 2e- + 2H

→ NO

+ H

O

Fp NADH + H⁺

2 H⁺

Fe-S

Q 2 H⁺

Cyt b556 2 H⁺

NO₃^- + 2 H⁺

H⁺ H⁺

ADP + Pi

ATP ATPasa

Fuera Citoplasma

2e^- 2e^-

NO₂^- + H₂O Nitrato reductasa

•Nitrato reductasa.

•Presente en bacterias aerobias facultativas.

Reducción del

sulfato

oxidación

Azufre en compuestos orgánicos (R-SH)

-2

Sulfuro (H₂S) -2 Azufre elemental

(Sº) 0

Tiosulfato (S₂O₃^2-) +2

Dióxido de azufre

(SO₂) +4

Sulfito (SO₃^2-) +4 Sulfato (SO₄^2-) +6

Reducción

del sulfato

Reducción del sulfato. Enzimas.

•Reducción desasimilativa

SO

→

APS →

SO

→

H

S

 ATP → PPi. ATP sulfurilasa.

 2e-. APS reductasa

 6e-. Sulfito reductasa

•Reducción asimilativa

SO

→

APS →

PAPS →

SO

→

H

S

 ATP → PPi. ATP sulfurilasa.

 ATP → ADP. APS cinasa.

 2e-. PAPS reductasa.

 6e-. Sulfito reductasa.

Respiración con sulfatos.

•LDH. Lactato deshidrogenasa

•H₂asa. Hidrogenasa.

•Hmc. Complejo acarreador de electrones.

•APS. Adenosin fosfosulfato.

Los electrones son donados por el H₂ y por compuestos orgánicos como por ejemplo:

•Lactato

•Acetato

•Piruvato

•Alcoholes

•Ácidos grasos

Producción de energía

•El principal acarreador de electrones es el cit C₃ que acepta los electrones de la H₂asa y los transfiere al

Hmc, que a su vez

proporciona los electrones a la APS red y Sulfito red.

•La H₂asa oxida al H₂ atmosférico y el que

procede de la formación de acetato a partir de piruvato y que difunde a través de la membrana.

Acetato como donador de e-

CH

COO

+ SO

+ 3H

→ 2CO

+ H

S + H

O

El acetato es oxidado a CO₂ por la vía del Acetil-CoA empleando reacciones reversibles que emplean algunos anaerobios para la síntesis u oxidación del acetato.

Desulfobacter oxida el acetato a través de la vía del ácido cítrico ya que carece de las enzimas de la vía del Acetil-CoA.

Autotrofía

Crecimiento en medio mínimo en condiciones anaerobias

•H₂ como donador de electrones.

•SO₄^2- como aceptor de electrones.

•CO₂ como fuente de carbono que se asimila por la vía del Acetil-CoA.

Reducción desproporcionada

HPO

+ SO

+ H

→ 4HPO

+ HS

Desulfotignum phosphitoxidans, anerobio extricto, autótrofo que emplea el fosfito como única fuente de energía. Acopla la oxidación del fosfito a la reducción del sulfato en condiciones anaerobias. Se propone que la fuente de fosfato puede ser orgánica.

Emplea compuestos de azufre en estados de oxidación intermedios.

Implica la descomposición de un compuesto en dos, uno más oxidado y otro más reducido que el compuesto original.

S

O

+ H

O → SO

+ H

S

En la reacción, la oxidación del tiosulfato por Desulfovibrio sulfodismutans genera la fuerza protón motriz para la producción de ATP. El sulfito y el Sº también son empleados por la bacterias sulfato reductoras que coexisten en el mismo hábitat con las bacterias quimiolitótrofas.

Oxidación del fosfito

Bacterias sulfato reductoras

•Grupo I. Sulfato reductores, no oxidantes de acetato.

•Grupo II. Sulfato reductores, oxidantes de acetato.

•Sulfato reductores desasimilativos.

Desulfovibrio.

Bacteria Gram negativa

termofílica.

Desulfobacter. Bacteria Gram negativa, emplea acetato como único donador y lo oxida por el ciclo del ácido cítrico.

Desulfuromonas.

Reduce Sº, anaerobio obligado.

Reducción asimilativa de sulfatos

El sulfato es transportado dentro de la célula por una permeasa y reducido a sulfito por la vía de sulfato reducción. La síntesis de cisteína a partir de la serina requiere de dos pasos. La serina es

combinada con el Acetil-CoA para formar O-acetilserina y seguido reacciona con el sulfuro para formar cisteína.

Acetogénesis

•Homoacetógenos.

4H

+ H

+ 2HCO

→

CH

COO

+ 4H

O

 Donadores de electrones: compuestos de C1, azúcares, aminoácidos, ácidos orgánicos y ciertas bases nitrogenadas.

 Algunos homoacetógenos también reducen NO₃^- y S₂O₃^-.

 Fuerza protón motriz o fuerza sodio motriz o fosforilación a nivel de sustrato → ATP.

Acetobacterium woodii Clostridium aceticum

Rutas de la acetogénesis

•Vía del Acetil-CoA, ruta principal para los microorganismos homoacetogénicos.

•Algunos microorganismos pueden crecer

heterotróficamente por la fermentación de azúcares  o como quimiolitótrofos a través de la reducción de CO₂ a acetato con H₂ como donador de electrones .

 C

H

O

→ 3CH

COO

+ 3H

 2HCO

+ 4H

+ H

→ CH

COO

+ 4H

O

Vía del Acetil-CoA

•Monóxido de carbono deshidrogenasa. Complejo enzimático que tiene como cofactores a los metales Ni, Zn y Fe. Cataliza la reacción de reducción de CO₂ a CO que será el carbonil del acetato :

CO

+ H

→ CO + H

O

•El grupo metil del acetato se origina por la reducción del CO₂ por una serie de

reacciones en las que participa la coenzima Tetrahidrofolato.

Cuando es formado el grupo metilo se transfiere a una

proteína que contiene

Vitamina B₁₂ como cofactor.

Vía del

Acetil-CoA

•El CH₃ es anclado a un átomo de Ni en la CO- deshidrogenasa y se

combina con el CO que también se encuentra anclado al Fe de la

enzima y con la ~SCoA.

•La formación del Acetil- CoA produce un

gradiente de protones

para formar ATP y también se forma ATP en la

conversión de Acetil-CoA a Acetato.

Fijación del CO ₂ por la vía del Acetil-CoA

I Síntesis de acetato como resultado del metabolismo energético

Acetonaerobium noterae Acetobacterium woodii Acetobacterium wieringae Acetogenium kivui

Acetitomaculum ruminis Clostridium aceticum

Clostridium thermoaceticum Clostridium formiaceticum Desulfotomaculum orientis Sporomusa paucivorans

Eubacterium limosum (butirato)

Treponema primita (intestino de termitas) Eubacterium limosum

Fijación del

CO ₂ por la vía del Acetil-CoA

II Síntesis de acetato en el metabolismo autótrófico

Bacterias autotróficas homoacetogénicas Metanógenos autótrofas

Bacterias sulfato reductoras autotróficas

III Oxidación de acetato en el metabolismo energético

Reacción: Acetato + 2H₂O → 2CO₂ + 8H

Bacterias sulfato reductoras del grupo II (diferentes a Desulfobacter) Reacción: Acetato → CO₂ + CH₄

Metanógenos acetogénicos (Methanosarcina, Methanosaeta)

Methanosarcina (cocos) y Methanosaeta (filamentos)

Metanogénesis

I Sustratos del tipo CO₂

CO₂ (cuando el donador es el H₂, ciertos alcoholes o piruvato)

Formato, HCOO^-

Monóxido de carbono CO

II Metil sustratos

Metanol, CH₃OH^- Metilamina, CH₃NH₃⁺ Dimetilamina, (CH₃)₂NH₂⁺ Trimetilamina, (CH₃)₃NH⁺ Metilmercaptano, CH₃SH Dimetilsulfuro, (CH₃)₂S

III Sustratos acetotróficos

Acetato, CH₃COO^- Piruvato, CH₃COCOO^- Material orgánico

Monómeros Acidos grasos,

alcoholes Compuestos

de C₁, H₂ Acetato

CH₄, CO₂ 1

1 1

1

2

3 4

4

1. Bacterias hidrolíticas y fermentadoras.

2. Bacterias sintróficas 3. Homoacetogénicas 4. Metanogénicas

Sustratos en la metanogénesis

•I. Sustratos del tipo CO₂

CO

+ 4H

→ CH

+ 2H

O

•II. Sustancias metiladas

CH

OH + H

→ CH

+ H

O

4CH

OH → 3CH

+ CO

+2H

O

•III. Sustratos acetotróficos

CH

COO

+ H

O → CH

+ HCO

Coenzimas de arqueas metanogénicas

•Acarreadores de C1

Las que transportan la unidad C1 desde el sustrato inicial, el CO₂ hasta el sustrato final, CH₄. Las marcas en amarillo en las moléculas indican el lugar donde el C1 se une

durante la reducción de CO₂ a CH₄.

Coenzimas de arqueas metanogénicas

•Acarreadores de C1

Metanofurano (MF), une al CO₂ en el primer paso de la

metanogénesis.

Metanopterina (MP) es la

portadora de los C₁ durante la reducción.

Coenzima M (CoM), interviene en nel paso final de CH₃ a CH₄.

Coenzima F₄₃₀ (CF₄₃₀), no es un acarreador pero participa en la parte final de la metanogénesis en el complejo metilreductasa.

Coenzimas de arqueas metanogénicas

•Coenzimas de Oxido- Reducción

Las que en la reacción redox suministran los electrones

necesarios para la reducción de CO₂ a CH₄.

Coenzima F₄₂₀. Participa en varias reacciones durante la reducción donando los

electrones.

Coenzima B (CoB) participa en la parte final de la

metanogénesis en el

complejo metilreductasa.

Reducción de CO ₂ a CH ₄ .

1. CO₂ es activado por la E-MF y reducido a formilo.

2. El grupo formilo estransferido por el MF a E-MP, deshidratado y

reducido a metileno y después a metilo.

3. El grupo metilo es transferido por la MP a la E-CoM.

4. Metil-CoM es reducido a metano por el sistema metilreductasa. F₄₃₀ remueve el CH₃ formando un complejo Ni²⁺-CH₃ y este es

reducido por los electrones de CoB.

5. CoM y CoB son regenerados por la reducción de Com-S-S-CoB con H₂.

Conversión de Metanol a

Metano

El metanol es catabolizado transfierendo el grupo metilo a una proteína corrinoide formando CH₃-corrinoide que cede el CH₃ a CoM para formar CH₃-CoM y posteriormente CH₄.

Si no se cuenta con poder reductor como H₂ para el paso final, una parte del CO₂ es oxidado para producir electrones.

Conversión de Acetato a Metano

El acetato es activado y se forma Acetil-CoA que interacciona con la CO- deshidrogenasa de la vía del Acetil-CoA.

El grupo metilo del

acetato se transfiere a la E-corrinoide formando CH₃-corrinoide que cede el CH₃ a CoM para

formar CH₃-CoM y posteriormente CH₄.

Producción de la energía

La producción de ATP está ligada al ultimo paso de la Metilreductasa en la metanogénesis.

La asociación de CoB con CH₃-CoM forma en el paso final forma CH₄ y un heterodisulfuro CoM-S-S-CoB.

El heterodisulfuro es reducido por la Heterodisulfuro reductasa con los electrones que provienen de la F420 formando CoM-SH y CoB-SH.

La tranferencia de electrones provoca la extrusión de protones y se crea una fuerza protón motriz donde participa una proteina transportadora la

metanofenazina (MPH).

Hábitat de las arqueas metanogénicas.

•Sedimentos anóxicos: suelo húmedo, fango y lagos.

•Tracto digestivo de animales: rumen en animales rumiantes (ganado

vacuno, ovejas, cabras, camellos, etc.);

intestino ciego de caballos o conejos;

intestino largo de animales

monogástricos como humanos, cerdos y perros, intestino de insectos

celulolíticos (temitas).

•Fuentes geotermales de H₂ + CO₂: chimeneas hidrotermales.

•Lodos activados: tratamiento de aguas residuales.

•Como endosimbiontes de protozoarios.