Metabolismo en la levadura de Sacharomices cerevisiae.
La levadura Saccharomyces cerevisiae desarrolla ambos tipos de metabolismo; pero sólo produce etanol en condiciones de crecimiento anaerobio (fermentativo). Por consiguiente, y en general, al preparar un cultivo industrial debemos saber (1) en qué condiciones metabólicas se produce lo que nos interesa fabricar y (2) controlar la fermentación industrial para que se produzca en esas condiciones deseadas.
Hay microorganismos que requieren ambientes oxidantes para crecer, mientras que otros necesitan ambientes reductores. El metabolismo de ambos tipos de microorganismos presenta diferencias notables como veremos más adelante. El requerimiento de condiciones oxidantes o reductoras no debe confundirse con la necesidad de presencia o ausencia de oxígeno para que se produzca el crecimiento.
En general, cuando un microorganismo requiere un ambiente oxidante se dice que desarrolla un metabolismo oxidativo (o respirativo) mientras que los microorganismos que requieren ambientes reductores (o menos oxidantes) realizan un metabolismo fermentativo.
Un microorganismo es aerobio cuando necesita oxígeno para vivir y es anaerobio cuando o bien no lo necesita (anaerobios facultativos como las bacterias entéricas, o como Saccharomyces cerevisiae; o anaerobios aerotolerantes como las bacterias lácticas) o cuando muere en presencia de oxígeno (anaerobios estrictos como los clostridios).
Hay microorganismos que viven en ambientes carentes de oxígeno (anaerobios) que, sin embargo, llevan a cabo un metabolismo oxidativo porque usan otro aceptor final de electrones que actúa como oxidante ambiental. Por ejemplo, las bacterias que "respiran" nitratos (NO3-), sulfatos (SO42-) u otros compuestos orgánicos oxidados.
Hay microorganismos que, aunque viven en presencia de oxígeno, no son capaces de utilizarlo como aceptor final de electrones y deben desarrollar un metabolismo fermentativo (las bacterias lácticas, por ejemplo).
Por otra parte, hay microorganismos que pueden desarrollar ambos tipos de metabolismo. Esto es: en presencia de oxígeno desarrollan un metabolismo oxidativo y en su ausencia, fermentativo. El rendimiento (Ys) de los procesos fermentativos es menor que el de los respirativos: las bacterias y las levaduras producen menos biomasa cuando crecen fermentando que cuando lo hacen respirando.
http://www.unavarra.es/genmic/micind-2-9.htm
Las fuentes de carbono utilizadas por las levaduras como la Saccharomyces Cerevisiae, varían desde los carbohidratos hasta los aminoácidos. Además, la capacidad de utilizar ciertos tipos de azúcares ha sido tradicionalmente empleada para la caracterización de las distintas razas que esta especie presenta. Entre los azúcares que puede utilizar están monosacaridos como la glucosa, fructosa, manosa y galactosa, entre otros. Por norma general, las levaduras mantienen dos tipos de metabolismo muy bien diferenciados. Por una parte, en condiciones en las que existen altas concentraciones de glucosa, fructosa o maltosa, la tendencia es a realizar una fermentación alcohólica de estos, es decir, se realiza la glucólisis y posteriormente se forma etanol. Una vez que estos azúcares escasean, se produce la respiración del etanol, vía ciclo de Krebs.
La fermentación del etanol o fermentación etílica, es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de aire (oxígeno - O2), originado por la actividad de algunos microorganismos, entre ellos el Saccharomyces Cerevisiae, que procesan los hidratos de carbono (por regla general azúcares: como pueden ser por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almidón, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol (CH3-CH2-OH), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y unas moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaeróbico.
En condiciones de anaerobiosis, las cepas de Sacharomyces cerevisae transforman la glucosa en ácido pirúvico, siguiendo la secuencia de 10 reacciones de la glucólisis. Este proceso es común e la mayoría de los seres vivientes; pero aquí radica lo específico de estas levaduras, que son capaces de proseguir la
degradación de pirúvico hasta etanol.
http://www.acmor.org.mx/sites/default/files/1103.pdf
Cadena de transporte de electrones y los inhibidores azida de sodio y dinitrofenol.
Como ya fue descrito en un post anterior, los inhibidores de la Cadena de Transporte de Electrones (CTE) son substancias que se enlazan a alguno de los componentes de la cadena de transporte de electrones bloqueando su capacidad para cambiar de una forma reversible desde la forma oxidada a la forma reducida y viceversa.
Esta inhibicion resulta en una acumulacion de los componentes en sus formas reducidas antes del punto de inhibicion, y la presencia de las formas oxidadas de los componentes de la CTE despues del punto de inhibicion.
Debido a que en presencia de estos inhibidores no se libera energia, la sintesis de ATP tambien se detiene. Los mas importantes inhibidores conocidos de la cadena de transporte de electrones son el Amital, la Rotenona, el Antimycin A, el Monoxido de Carbono (CO), la Azida sodica y los Cianuros.
Amital, un barbiturato, y la Rotenona, un producto vegetal obtenido de las plantas que se usa como insecticida y pesticida, bloquean la cadena de transporte electronico entre la NADH deshidrogenasa (Complejo I) y la CoQ.
Como consecuencia, ellos impiden la utilizacion del NADH como donante de equivalentes de reduccion a la cadena respiratoria. Sin embargo, el flujo de electrones que resulta de la reduccion-oxidacion del Complex II no es afectada, ya que los electrones entran en un punto posterior al bloqueo, a traves de la Coenzima Q.
El efecto del Amital ha sido observado in vitro, ya que la intoxicacion con amital y otros barbituratos afecta principalmente al Sistema Nervioso Central al actuar sobre los canales de iones sensibles al GABA, un efecto no relacionado con la accion del amital sobre el Complejo I.
Las intoxicaciones por Rotenona son muy raras. De hecho, algunas tribus humanas solian pescar echando en el agua extractos de raices conteniendo Rotenona, la cual es facilmente absorbible por los peces a traves de las branquias. La rotenona afectaba la cadena respiratoria de los peces y estos morian y flotaban en la superficie. Estos peces eran consumidos posteriormente sin afectar a los seres humanos, ya que los residuos de rotenona en los peces eran absorbidos con dificultad por el tracto gastrointestinal. En aquellos casos en que la rotenona se ha ingerido en forma concentrada, generalmente irrita severamente las mucosas provocando vomitos. Sin embargo, sus efectos toxicos no deben ser menospreciados.
Es interesante notar que la Rotenona y el MPTP (una neurotoxina), que tambien afecta al Complejo Respiratorio I, cuando se administran de forma intravenosa, causan sintomas y signos muy parecidos a la enfermedad de Parkinson. Estas substancias afectan primariamente a las neuronas de la substancia nigra. Aparentemente la secuencia de eventos es: afectacion del Complejo I, afectacion del metabolismo mitocondrial, acumulacion de radicales libres, muerte celular, liberacion de substancias toxicas y destruccion de otras celulas.
Antimycin A es un antibiotico producido por Streptomyces griseous que ha sido usado como veneno para controlar alguna especies de peces. Antymicin A interfiere con el flujo de electrones desde el citocromo bH en el Complex III (Q-cytochrome c oxidoreductasa). En presencia de esta substancia, el citocromo bH puede ser reducido pero no oxidado, y consecuentemente, el citocromo c permanece oxidado, al igual que los citocromos a y a3 del Complejo IV.
El monoxido de carbono (CO) es responsable a nivel mundial por mas del 50 % de las muertes por envenenamiento. Es incoloro e inodoro; puede formarse en grandes cantidades como resultado de la combustion incompleta de combustibles: los tubos de escape de maquinarias , hornos, estufas, son fuentes importantes. El cigarro aumenta los niveles de carboxihemoglobina del fumador.
La intoxicacion por monoxido de carbono causa trastornos en la entrega de oxygeno a los tejidos y en su utilizacion celular. La afinidad de la Hemoglobina por el monoxido de carbono es casi 300 superior a la que tiene por el oxigeno. Un ambiente en el cual hay apenas 100 ppm de CO es suficiente para que la formacion de Hemoglobina llegue a 16 %. La situacion empeora ademas ya que la union de CO a uno de los grupos Hem de la Hemoglobina aumenta la afinidad por el oxigeno de los otros tres grupos Hem de la molecula, por lo cual la entrega o liberacion del oxigeno a los tejidos esta muy afectada. Debido a su alto consumo de oxigeno, el cerebro y el corazon son los organos mas afectados. La mioglobina tiene mas afinidad aun por el CO que la Hemoglobina, por lo que el musculo cardiaco esta severamente afectado y el paciente presenta una marcada hipotension. Como ya fue descrito anteriormente, la intoxicacion por CO es una importante causa de muerte en todo el mundo.
Se ha observado que el estatus clinico de los pacientes no se correlaciona bien con los niveles de carboxihemoglobina, por lo que se considera que aunque la afinidad de los componentes de la cadena respiratoria por el CO es menor que por el oxigeno, la inhibicion de la citocromo oxidasa por el CO juega tambien un papel en la intoxicacion por monoxido de carbono. El CO se une a la forma reducida del hierro (Fe ++) de los grupos Hem de la Citocromo Oxidasa.
De una forma opuesta, en el envenamiento por Cianuro la inhibicion de la cadena respiratoria si desempenha un rol primario. La intoxicacion por cianuro es frecuente en pacientes que inhalan humo de fuegos industriales o residenciales. Tambien se ve este tipo de intoxicacion en personas relacionadas profesionalmente con el cianuro o sus derivados en ciertas industrias. El envenenamiento intencional con cianuro puede verse en personas con acceso a estos compuestos. El cianuro afecta a practicamente todas las metaloenzimas, pero sus principales efectos toxicos derivan de su union al Fe+++ en los grupos Hem de la citocromo oxidasa, inhibiendo el funcionamiento de la Cadena de Transporte de Electrones.
Las Azidas afectan a la cadena respiratoria de una forma muy similar al cianuro, inhibiendo a los grupos Hem de los citocromos en la Citocromo Oxidasa (Complex IV). Las azidas son usadas en los "airbags", en la produccion de detonantes (explosivos) y como preservativo del suero y de algunos reactivos quimicos y biologicos. Se han reportado casos de intoxicacion por azida en humanos.
Como resultado de la accion de cualquiera de estos inhibidores, se detienen las reacciones redox de la cadena respiratoria, no se libera energia, las bombas de protones no funcionan, por lo que no hay protones que regresen a traves del complejo V, y la produccion de ATP cesa.
https://temasdebioquimica.wordpress.com/2008/11/23/inhibidores-de-la-cadena-de-transporte-de-electrones/
La oligomicina inhibe la respiración: no obstante, y en contraste con los inhibidores del trasnporte de electrones, no es un inhibidor directo de este sistema de transporte. En cambio, inhibe el canal de protones de la ATP-sintasa. Causa una acumulaciñon de protones fuera de la mitocondria (el sistema de bombeo está aún intacto pero el canal de protones está bloqueado. Este aspecto puede ilustraste viendo lo que ocurre al añadir el desacomplante DNP tras inhibir con oligomicina la captación de oxígeno: el DNP suprime el gradiente de protones y estimula la captación de oxígeno a medida que el sistema de transporte de electrones intenta restablecer el gradiente.
El dinitrofenol (DNP) es un desacoplante de las fosforilación oxidativa. Durante la primera Guerra Mundial se descubrieron por primera vez sus esfectos adelgazantes, al observar que los trabajadores de la munición fanceses, expuestos a dinitrofenol durante la síntesis de dinamita (trinitrotolueno TNT) perdían peso rápidamente. Durante la década de 1930 los médicos lo prescribieron para adelgazar y se podían comprar sin receta; sin embargo, se observaron efectos secuandarios en aquellas personas que los consumian (cataratas, ceguera, lesión renal, hepática y muerte) por lo cual causo su prohibición. Actualmente se utiliza en las industrias para la fabricación de colorantes, explosivos, herbicidas, insecticidad y conservantes de madera. El DNP destruye a las bacterias y a los hongos por un mecanismo de desacoplamiento de la fosforilación. Aumenta radicalmente el consime de oxígeno y los combustibles metabólicos, y casi toda la energía metabólica se pierde en forma de calor. Las células mueren tanto a causa del exceso de temperatura como de la falta de ATP.
Byanes, John W. ; Dominiczak, Marek H. Bioquímica Médica. Segunda edición. Editorial ELSEVIER. Cápitulo 8. Pg 111-113. ISBN: 978-84-8174-866-6
Recuerda: un desacoplante de la fosforilación oxidativa transportan de nuevo los protones al interior de las mitocondrias y hacen desaparecer el gradiente de protones sin intervención de la ATPsintasa. De este modo se estimula la respiración, porque el sistema hace un intento inefectivo de restaurar el gradiente de protones oxidando más combustible y bombeando más protones hacia el exterior de las mitocondrias. Suelen ser hidrófobos con un pH cercano a 7.
1.Cuáles son las fuentes de carbono que usa la levadura Saccaromyces cerevisiae?
Saccharomyces cerevisiae utiliza la glucosa como principal fuente de
carbono (metabolismo fermentativo), mientras que cuando la disponibilidad de glucosa es baja, utiliza sustratos no fermentables (metabolismo respiratorio) como lactato, glicerol, etanol, acetato u oleato. Para cambiar el metabolismo y utilizar compuestos no fermentables, deben ser regulados ciertos genes estructurales (represión por glucosa o catabólica).
http://www.smb.org.mx/smb-anterior/XXVICONGRESO/text/Carteles/Miercoles/Mi085.pdf
Las fuentes de carbono utilizadas por las levaduras como la Saccharomyces Cerevisiae, varían desde los carbohidratos hasta los aminoácidos.
Los aa, ch, addemás de cierta acción por parte del N y de algunas vitamianas. De la seguna fuente, se pueden mencionar a la glucosa, fructosa, galactosa y manosa; la maltosa y la sacarosa. Respecto al N se puede resaltar la acción del amonio y la urea.
2. ¿Cuáles son las vías metabólicas que catalizan los carbohidratos?
Glucólisis, glucogenogénesis, glucogenólisis, TAC, CTE.
Byanes, John W. ; Dominiczak, Marek H. Bioquímica Médica. Segunda edición. Editorial ELSEVIER. ISBN: 978-84-8174-866-6
3. Describir la glucólisis y la fosforilación oxidativa
La glucólisis es la ruta catabólica en la cual una molécula de glucosa se "rompera" en dos moléculas de 3 carbonos (piruvato). Esta ruta está compuesta por 10 reacciones. Y se puede dividir en dos partes: la primera es la etapa preparatoria donde se utilizan 2 ATP y en la segunda etapa de ganancia donde se producen 4 ATP de los cuales 2 se volveran usar en la primera etapa, con lo que nos deja una ganancia neta de 2 ATP. Una vez llegando al piruvato este puede tomar diferentes vías dependiento en las condiciones aeróbicas o anaeróbicas que se encuentre. El piruvato se puede convertir en etanol o lactato en c. Anaeróbicas y a acetil-CoA en la aerobica, ésta última se va hacia el TAC, para obetener NADH, FADH, GTP y CO2. Los agentes reductores NADH Y FADH van hacia la CTE y fosforilación oxidativa la cual es la encargada de oxidar los productos del ciclo de Krebs y de esta generar ATP, el cual es la moneda energética de las células.
4. ¿Cuáles son los productos finales del catabolismo de carbohidratos en la levaduras? etc.
Etanol, CO2.
5. Enliste los inhibidores de la cadena respiratoria de sitio I, II, III, IV y ATP sintasa; describa su efecto sobre el consumo de O2 y la síntesis de ATP.
El malonato en el complejo II
