- Clasificación Nutricional Básica - El ciclo del N - Amonificación - Nitrificación - Fijación de N 2 - Desnitrificación - Desnitrificación a nivel celular y molecular - El ciclo del S - Bacterias reductoras de SO 4 = - Vía de reducción del sulfato - Otras vías - El ciclo del Cl - Bacterias reductoras de ClO x - - Enzimas involucradas en la reducción de ClO x - - (per)clorato reductasa - clorito dismutasa - El ciclo del C - CO desidrogenasa - Formato desidrogenasa TEMA 10: Metabolismo energético: Metaloenzimas de los ciclos del N, S, Cl y C.
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- Clasificación Nutricional Básica
- El ciclo del N - Amonificación - Nitrificación - Fijación de N2 - Desnitrificación - Desnitrificación a nivel celular y molecular
- El ciclo del S
- Bacterias reductoras de SO4=
- Vía de reducción del sulfato - Otras vías
- El ciclo del Cl
- Bacterias reductoras de ClOx-
- Enzimas involucradas en la reducción de ClOx-
- (per)clorato reductasa - clorito dismutasa
- El ciclo del C - CO desidrogenasa
- Formato desidrogenasa
TEMA 10: Metabolismo energético: Metaloenzimas de los ciclos del N, S, Cl y C.
Clasificación nutricional básica
Energía Luz Química
Foto- Quimio-
Electrones Orgánica Inorgánica
Organo- Lito-
Carbono Orgánica CO2
Hetero- Auto-
Clasificación nutricional básica
e.g. Cianobacterias, Algas, Plantas
e.g. Protistas, Hongos, Animales
e.g. Algunas Bacterias (Nitrobacter, Cupriavidus)
e.g. Algunas Bacterias (Oceanithermus)
e.g. Alguna Archaeas (Metanotróficas)
e.g. Algunas Bacterias (Rhodobacter)
Energía EMF Estructura
PMF
electrones
El ciclo del N
N2 NO3‐
Oxidación catalizada por rayos
N2 NO3‐
Fijación Industrial Proceso Haber
Mat Org NH4+
Descomposición
NO3‐ Mat Org
Plantas
NO3‐ N2(g)
Desnitrificación Producción de energía celular
N2 NO3‐
Fijación Biológica e.g. Rizobios
En la superficie terrestre
El ciclo del N En los oceanos
El ciclo del N
NO3- NO2
- NH4+
NapA / NapAB Nas /NarB
NrfAH NrfAB
El ciclo del N Amonificación
La amonificación puede ser de dos tipos:
• Disimilatoria: cuando no hay O2(g) (anaerobiosis) ciertas bacterias que no poseen las enzimas de la desnitrificación pueden igualmente respirar nitrato gracias a la Nap (nitrato reductasa periplasmática) y la Nrf (nitrito reductasa penta-hemica).
• Asimilatoria: Es independiente de la pO2(g). La expresión de las enzimas de esta vía es regulada por la [NO3
-]/[NH4+]. Ratio alto induce la expresión de los genes que codifican Nas y Nrf, mientras que un
ratio bajo los reprime. El NH4+ producido es incorporado en biomoléculas a través de las vías de
GS/GOGAT.
NH4+ NH2OH NO3
-
Ammonia monooxygenase
El ciclo del N Nitrificación
La nitrificación implica la oxidación de amonio a nitrato, y es llevada en dos fases por organismos diferentes:puede ser de dos tipos:
• Oxidación de amonio a nitrito: catalizado por las enzimas indicadas abajo. Es llevada a cabo por bacterias de los géneros Nitrosomonas, Nitrospina, entre otros.
• Oxidación de nitrito a nitrato: es catalizado por la enzima NxrGHI, una enzima homologa a la NarGHI pero que a diferencia de esta ultima, es capaz de catalizar la reacción inversa. Este proceso es catalizado por bacterias del género Nitrobacter y Nitrospira, y lo usan para obtener equivalentes de reducción para generar energía celular y fijar C (litoautotrofos).
NO2-
Hydroxylamine oxidase
Nitrite oxidoreductase
cupredoxin domain of amoB
N2(g) NH4
+
El ciclo del N Fijación de Nitrógeno
Es la combinación de dinitrógeno con O o H para formar óxidos (NOx) o NH4+. El nitrógeno molecular es el
principal componente de la atmósfera porque es inerte y no aprovechable directamente por la mayoría de los seres vivos. La fijación de nitrógeno puede ocurrir de dos formas
• Abiótica: oxidación del N2(g) catalizada por rayos
• Fijación biológica: por la acción de bacterias. Estas últimas cuentan con una enzima llamada nitrogenasa, la cual está presente en bacterias como:
o No simbiontes: Cianobacteria, green-sulfur bacteria, Azotobacter. o Simbiontes: Frankia, Spirillum, Rizobios. Estos últimos son de elevada relevancia
económica ya que son usados como bioinoculantes para proveer de N los cultivos llevados a cabo en suelos cuyo contenido de N ha sido depletado por el uso contínuo.
Nitrogenase
2 3 28 8 16 2 16 16 iN H e ATP NH H ADP P
El ciclo del N Fijación de Nitrógeno: Nitrogenasa de Mo-Fe
Nature Chemical Biology 2, 504 ‐ 507 (2006)
Los electrones pasan del clúster [4Fe-4S] en la Fe-protein al P-cluster y luego al cofactor MoFe gracias a la hidrólisis de ATP. Los tres cofactores están geométricamente posicionados para que esto ocurra. La catálisis de reducción de N2 a NH3 se produce en el cofactor MoFe. La función del ion Ca2+ es desconocida.
El ciclo del N Desnitrificación
La desnitrificación tiene lugar bajo condiciones especiales: • Tanto en ecosistemas terrestres como en marinos se produce cuando el O2(g) es escazo
o nulo (micro- y an-aerobiosis).
• Las bacterias desnitrificantes "respiran" nitrato, i.e. lo usan como aceptor terminal de electrones en lugar del O2(g).
NO3- NO2
- NO. N2O N2(g)
NarGHI cd1 Nir Cu-Nir
Nor Nos
El ciclo del N Desnitrificación en la célula: NarGHI
(1)
(2)
(3)
(4)
El ciclo del N Desnitrificación en la célula: NarGHI
El ciclo del N Desnitrificación en la célula: NarGHI
El ciclo del N Desnitrificación en la célula: NarGHI
9Å 9.7Å 9.6Å 9.7Å 11.3Å
Barrera E
El ciclo del N Desnitrificación en la célula: cd1 Nir
Sitio activo Cit cd1
Cit c
Flujo de e-
El ciclo del N Desnitrificación en la célula: Cu-Nir
Cu tipo II
Cu tipo I Flujo de e-
Pseudoazurina o
Citocromo c552
Depende del
organismo
Sitio activo
El ciclo del N Desnitrificación en la célula: Nor
Fe Fe
Sitio activo similar a CcO
Hemo c
Hemo b Hemo b
FeB
El ciclo del N Desnitrificación en la célula: Nor
- Nor y CcO tipo cbb3 son altamente análogas - Durante la evolución Nor perdió capacidad de translocar H+
El ciclo del N Desnitrificación en la célula: Nos
CuZ
CuA
El ciclo del N Desnitrificación en la célula: Nos
Homodímero funcional Posibilita la transferencia de e-
El ciclo del N Desnitrificación en la célula
A diferencia de la respiración aeróbica (fosforilación oxidativa) en la cual el O2(g) es el único sustrato oxidante (aceptor final de electrones), durante la desnitrificación se "respiran" varios óxidos del N.
Aunque cada uno de estos óxidos del N es reducido por una enzima diferente, lo e- provienen de una fuente común que genera la translocación de H+ hacia el periplasma bacteriano.
El gradiente es generado gracias a que la reducción de Q es del lado citoplasmático, mientras que la oxidación del lado periplasmático.
El ciclo del N Q-cycle vs. Q-loop
El ciclo del S En la superficie terrestre
Sulphate reduction and sulphur cycling in lake sediments: a review. Freshw Biol 46: 431‐451
Los oxoaniones y óxidos de Cl son contaminantes emergentes considerados entre los mas relevantes del siglo 21. Son de origen natural, pero su concentración en el ambiente fue diseminada por la acción del hombre (producción de municiones, combustibles, herbicidas, desinfectantes).
Una de las formas más comunes de agregar ClOx al ambiente es durante la potabilización del H2O. La presencia de los ClOx ejerció presión evolutiva para que algunas bacterias (capaces de usar ClOx como sustrato oxidante)
colonicen ciertos hábitats.
Por ej: en las plantas de tratamientos de aguas residuales
perchlorate ClO4
- (+VII)
chlorate ClO3
-
(+V)
chlorine dioxide ClO2(g)
(+IV)
hipochlorite ClO-
(+I)
chlorine Cl2(g) (0)
chlorite ClO2
-
(+III)
chloride Cl- (-I)
‒ ‒ ‒
‒ ‒ 2e- 1e- 1e- 2e- 1e- 1e-
Magnetospirillum sp. Mechanism of ClOx
- reduction
Las bacterias reductoras de perclorato son capaces de reducir el ClO4- hasta Cl-
Gracias a esto pueden sobrevivir en ambientes donde no existen otros sustratos "respirables" como el
oxígeno o nitrato.
Para lograr esto cuenta con una serie de enzimas especiales…
1- The anionic substrate chlorite binds to the enzyme in its ferric resting state forming the Fe(III)–chlorite complex.
2- The distal Arg possibly plays a role in the initial recognition but is not crucial for the binding. The reaction is followed by oxidation of the heme to Compound I with concomitant reduction of chlorite to hypochlorite.
3- Hypochlorite is recombined and as a consequence Fe(III)-peroxyhypochlorite is formed.
4- Chloride and then dioxygen are released. Figure from ArchBiochemBiophys (2015) 574, 18–26.
