RUTAS ASIMILATIVAS Y DISIMILATIVAS: CRECIMIENTO EN FOSFORO, NITROGENO,HIERRO, AZUFRE Y ARSENICO

Introducción

El conjunto de reacciones en un organismo se conoce como metabolismo. Para un organismo sobrevivir es de suma importancia poder llevar a cabo reacciones metabólicas que le provean los nutrientes necesarios para su supervivencia. Es por esto que los organismos llevan a cabo dos tipos de reacciones metabólicas: anabolismo y catabolismo. En el anabolismo el organismo lleva acabo biosíntesis, es decir, de moléculas mas simples, produce moléculas mas complejas. Este proceso conlleva un consumo de energía. Esta energía proviene de rutas de catabolismo, donde moléculas más complejas se rompen liberando energía en el proceso.Los organismos necesitan unos componentes en mayor cantidad conocidos como macronutrientes estos son : Carbono, Nitrógeno, Azufre, Fósforo, Hidrógeno y Oxígeno. A excepción de carbono, el resto de los elementos se obtienen usualmente de sustratos inorgánicos. Para utilizar dichos sustratos inorgánicos los organismos llevan a cabo unas reacciones conocidas como asimilativas y disimilativas. Las asimilativas son de tipo anabolismo: el organismo utiliza sustratos inorgánicos para obtener productos orgánicos por medio de biosíntesis. Por el otro lado, las disimilativas son de catabolismo; utilizan sustratos inorgánicos para obtener energía.

El entendimiento de estas reacciones nos provee ciertas ventajas:• Proveen los macro y micro nutrientes necesarios para la vida• Mantienen el flujo de los ciclos biogeoquímicos.• Establecen relaciones simbióticas con otros organismos.• Hacen disponible el uso de nutrientes en el ambiente.• Nos permite estudiar nuevos métodos de control microbiano• Proveen potencial para uso biotecnológico.

En esta presentación aprenderás como organismos logran crecer en medios con Nitrógeno, Fósforo, Azufre, Hierro y Arsénico. Nitrógeno

Asimilación-La asimilación del nitrógeno requiere una serie compleja de reacciones bioquímicas con un alto costo energéticoFijación de Nitrógeno- Bacterias toman el Nitrógeno del aire y del suelo lo convierten en Amonio NH4+ Nitrificación- Transición de Amonia a Nitrito y después a nitrato por oxidación, el nitrato de dirige a las plantas y luego los animales se alimentan de dichas plantas. Amonificación – La descomposición de la planta y/o el animal muerto. Se descompone

a amonia y comienza el ciclo de nitrificación o desnitrificaciónDesnitrificación- El nitrato es convertido a Nitrógeno y liberado a la atmósfera. Nitrato->Oxido Nítrico->Nitrógeno.

Azufre

Muchas bacterias utilizan diferentes formas de azufre para producir biomoléculas con azufre incorporado o para sintetizar ATP utilizando azufre como el último aceptador de electrones para apoyar la respiración anaeróbica. El sulfato antes de ser metabolizado, primero se activa por adenilación para formar adenosina 5-fosfosulfato (APS), proceso que consume ATP. El APS al fosforilarse puede ser utilizado en la ruta asimilativa en la cual mediante reacciones enzimáticas el azufre se incorpora a O-acetilserina o para convertilo a cisteína. Por otro lado, si no se fosforila el APS este puede seguir reduciéndose mediante reacciones enzimáticas a través de una cadena de transporte de electrones hasta producir sulfuro de hidrogeno el cual es secretado.

Las enzimas al estar acopladas a la cadena de transportes de electrones producen un gradiente de protones que producen ATP al pasar por la ATPasa.

Fósforo

El ciclo del fósforo se diferencia de los otros ciclos biogeoquímicos importantes en que no incluye una fase gaseosa; aunque pequeñas cantidades de ácido fosfórico (H3PO4) pueden llegar a la atmósfera, contribuyendo a veces a la lluvia ácida. Muy poco circula el fósforo en la atmósfera debido a las temperaturas de la Tierra y presiones normales, fósforo y sus diversos compuestos no son gases. La mayor reserva de fósforo está en roca sedimentaria. La mayoría de las bacterias lo usan en forma inorgánica como PO4. Se requieren cantidades muy pequeñas de fosfato pero son imprescindibles en la nutrición. Se obtiene fósforo por precipitación, por drenaje superficial y por drenaje subterráneo. El fósforo asimilable es la cantidad de fósforo soluble en agua y en una solución neutra de citrato de amonio, expresado convencionalmente en porcentaje de anhídrido fosfórico.

Ruta asimilativa (Fosforilación)La ruta asimilativa en fósforo se lleva a cabo con la ayuda de las enzimas mediadoras llamadas quinasas. Estas usan el ATP y lo incorporan en los grupos fosfatados mediante la materia orgánica en descomposición. Se asimila un grupo fosfato y lo convierte en un compuesto químico orgánico. Por ejemplo: la etanolamina se convierte fosfoetanolamina, luego se biosintetiza fosfatidiletanolmina. El fosfato se retiene en su mayoría en los microorganismos hasta la muerte, y al descomponerse vuelve continua el ciclo.

Ruta disimilativa

-Bacterias solubilizadoras de fosfato hidrolizan fósforo orgánico e inorgánico y lo hacen disponible a las plantas. Se genera energía al romper los compuestos complejos. No solo asimilan el elemento sino que solubilizan una porción del mismo, liberándolo en cantidades mayores a las demandadas. Otro método libera ácidos orgánicos para disminuir pH y solubilizar fosfato.

Microorganismos participantesBacterias: los cuales son capaces de mineralizar en medios de cultivo que contengan ácido nucleico y glucosa.Levaduras: que degradan los glicerofosfatos.Otros: hongos, actinomicetos.

Hierro

El hierro es el cuarto metal más abundante de la tierra y se puede encontrar en sus dos estados como hierro ferroso Fe(II) cuando esta reducido y hierro férrico Fe(III) cuando esta oxidado. Estos juegan un papel importante en los procesos redox que ocurren en suelos

anóxicos y sedimentos y en general en los ciclos biogeoquímicos de este en la tierra, además se ha encontrado que todos los organismos necesitan hierro para sus procesos metabólicos de una forma u otra. Debido a la poca solubilidad de los compuestos de hierro estas raciones de oxidación y reducción ocurren en pH relativamente básicos. En la ruta asimilativa de hierro este se utiliza en su estado de hierro ferroso para ser oxidado utilizando como aceptado de electrones oxígeno en ambientes aeróbicos y azufre o nitrato (bacterias púrpuras no-sulfurosas, bacterias verdes, ect) en ambientes anaerobios. En la ruta disimilativas las bacterias en un ambiente

anaeróbico ganan energía al utilizar compuestos orgánicos para ser o oxidados y el hierro férrico como último aceptador de electrones. Muchas bacterias en sedimentos del fondo de cuerpos acuíferos utilizan esta ruta pero también se ha encontrado en bacterias fotoquimiotróficas.

Arsénico

El elemento Arsénico, es uno altamente tóxico para el medio ambiente. Sin embargo, una gran diversidad de procariotas lo utilizan para su metabolismo y crecimiento celular, como lo es el uso de arsénico para hacer arsenolípidos y arsenobetaina (Stolz et al., 2006). Muchos de estos microorganismos se han estudiado en diferentes partes de China, donde la contaminación por arsénico es común, con el propósito de posible bioremediación. Entre estos estudios, conseguimos que hay secuencias de genes derivados de bacterias como Rhodopseudomonas,

Shewanella, Pseudomonas, Anaeromyxobacter, Desulfovibrio y Geobacter, todos Proteobacterias que son capaces de resistir el arsénico y eran capaces de respiración arsénica disimilatoria (Xiong et al, 2012). Además, conseguimos que se pueden llevar a cabo los procesos de oxidación de arsenito (As(III)), respiración de arsenato (As(V)), reducción de As (V) y metilación de As(III) (Xiao et al., 2016). Xiao y su equipo también demuestran los procesos de oxidación anaerobia de As(III) con los microorganismos Alkalilimnicola ehrlichii cepa MLHE-1 y Ectothiorhodospira sp. cepa PHS – 1. Los estudios de Xiao et al., nos hablan sobre cuatro tipos de genes para el metabolismo de arsénico: genes aio: oxidación de As(III)genes arr: respiración de As (V)genes ars: reducción de As (V) genes arsM: metilación de As (III)

Referencias

Stolz, J. F., & E. (2006, May 8). Arsenic and Selenium in Microbial Metabolism*. Retrieved April 15, 2016, from http://www.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.micro.60.080805.142053 DOI: 10.1146/annurev.micro.60.080805.142053

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Madigan, Michael T. "Microbial Metabolism." Brock Biology of Microorganisms. Boston ; Munich: Pearson, 2012. 73-105. Print.

Presentado por:Manuel Quiñones, Mariannette Gonzalez, Alfredo Reyes, Hiram Morales, Felix Semidei, Valerie Medina y Christian Camacho