(2)bioquimica del crecimiento y metabolismo (parte 1)

5/10/2018 (2)Bioquimica Del Crecimiento y Metabolismo (Parte 1) - slidepdf.com

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2

Bioquimica del crecimiento

y metabolismo

COLIN RATLEDGE

2.1 Introducci6n

La finalidad de un microorganismo es producir otro microorganismo. En algu-

nos casos los biotecnologos, que buscan la explotaci6n de los microorganismos,

pueden desear que esto suceda 10 mas rapido que sea posible. En otros casos, en

l Q S que el producto deseado no es el propio organismo, el biotecnologo debe ma-

nipularlo de tal forma que el microorganismo se desvie de su finalidad fundamen-

t a l . A medida que el microorganismo se esfuerza en sobreponerse a estas limita-

clones a su capacidad reproductiva, fabrica los productos que desea el biotecnolo-

g p o El crecimiento de los organismos y sus diversos productos estan por consiguiente

intimamente unidos en virtud del metabolismo.

El metabolismo es un entrecruzamiento de dos actividades Intimamente inter-

cpnexionadas pero divergentes. Los procesos anabolicos se relacionan con la cons-

~ucci6n de los materiales celulares, no solo de los principales constituyentes deIllScelulas (proteinas, acidos nucleicos, lipidos, carbohidratos, etc.), sino tambien

de sus precursores inmediatos, -aminoacidos, purinas y pirimidinas, acidos grasos,

azucares y azucares fosforilados. Los procesos anabolicos no ocurren espontanea-

mente; deben ser dirigidos por un flujo energetico, como se discute en el Capitulo

3, que en la mayor parte de los microorganismos es proporcionado por una serie

de procesos catabolicos que originan energia. La degradacion de los carbohidratos

a C02 y agua es el mas comun de dichos procesos catabolicos pero los microorga-

nismospueden utilizar de esta forma un conjunto mucho mas amplio de compuestos

carbonados reducidos. El acoplamiento de los procesos catabolicos y anab6licos

es la base de toda la bioqufmica microbiana y puede discutirse en terminos de ba-

lance global (como en el Capitulo 3) 0 en terminos de proceso individual, como

se hace aqui.

11



1 2 BlarECNOLOGIA BASICA

En la practica es util distinguir entre los microorganismos que llevan a cabo _

su metabolismo aerobicamente, usando oxigeno del aire, y los que son capaces de

hacerlo anaerobicamente, es decir, sin oxigeno. La reacci6n global de los compuestos

carbonados con oxigeno para dar agua YC02 es un proceso altamente exotermi-

co; un organismo aer6bico puede por tanto utilizar una cantidad relativamente mas

pequefia de sus substratos para el catabolismo a fin de mantener un determinado

nivel de anabolismo, es decir de crecimiento. Las trans formaciones de los substra-

tos por los organismos anaerobios estan esencialmente desproporcionadas con una

«producci6n de energfa» relativamente baja, de forma que una proporci6n mayor

del substrato puede ser utilizada catab6licamente para mantener un determinado

nivel de anabolismo.

La diferencia se observa muy claramente en un organismo como la levadura

que es un anaerobio facultativo, es decir, que puede existir 0bien aer6bica 0anae-r6bicamente. Transformando azucar a la misma velocidad, la levadura aer6bica

produce C02, agua y una producci6n relativamente alta de nueva levadura, mien-

tras que la levadura crecida anaer6bicamente tiene una velocidad relativamente lenta

de crecimiento, que ahora se acopla a una alta conversi6n de aziicar en alcohol

y C02.

2.2 Catabolismo y energia

Laconexi6n necesaria entre catabolismo y anabolismo depende de conseguir

que los diversos procesos catab6licos dirijan la sintesis de un numero bajo de pro-

ductos reactivos, que a su vez se utilizan para dirigir el conjunto total de las reac-

ciones anab6licas. Estos intermediarios clave, de los que el mas importante es el

trifosfato de adenosina, ATP (Fig. 2.1) tienen 10 que los biologos denomina «enla-

ces de alta energla»; en el ATP, la uni6n anhidrido en el residuo pirofosfato. Direc-

ta 0 indirectamente el potencial exerg6nico de la hidr6lisis de esta uni6n se utilizapara sobrepasar laendergonicidad de las etapas de formaci6n de enlaces en sfnte-

sis anab6lica. Las moleculas como el ATP proporci6nan asl la «moneda de la ener-

gfa» de la celula, Cuando el ATP se utiliza en una reacci6n biosintetica, genera

ADP (difosfato de adenosina) u ocasionalmente AMP (monofosfato de adenosi-

na) como productos de la hidr6lisis:

A+B+ATP~AB+ADP+Pj 0 A+B+ATPjAB+AMP+PP

(Pi = fosfato inorganico y PPi = pirofosfato inorganico)

El ADP, que todavia posee un enlace de alta energia, puede tambien ser utili-

zado para producir ATP por la reacci6n mediada por la adenilato quinasa:

ADP + ADP~ ATP + AMP



BIOQUIMICA DEL CRECIMIENlD Y METABOLISMO 13

OH

IHO-P=O

Io

IHO-P= 0

Io

IHO-P=O

Io

I5'CH

OH

"g. 2.1 Adenosina trifosfato (ATP).

"

OH

Las reacciones de fosforilacion, que son muy comunes en los seres vivos (vease

Figs. 2.2, 2.4, a 2.6), generalmente ocurren a traves de la mediacion de ATP:

o. . I I

-C-OH + ATP~-C-O-P-OH + ADPI

OH

El producto fosforilado es generalmente mas reactivo (en una u otra forma)

que el compuesto original. La fosforilacion por fosfato inorganico no ocurre por-

que el equilibrio se encuentra en la direccion opuesta debido a la alta concentra-

cion de agua (55 mM) presente en la celula:

o 0

I I I I-C-OH + HO-P-OH ~ -C-O-P-OH + H 0

I -l I 2

OH OH

El «estatus energetico» de la celula puede ser visto por consiguiente como una

funcion de las proporciones relativas que existen de ATP, ADP y AMP. Para dar

a esto un valor numerico, el concepto de carga ene rg etic a fue introducido por Da-

niel Atkinson, quien definio la carga energetica de la celula como la relacion:

ATP+O.5ADP



14 BIOI'ECNOLOGIA BASICA

Una celula «completamente cargada», en la que el ATP fuera el unico nucleo-

tido de adenina, da un valor de carga de energia de 1,0. Cuando, por asi decir,

existen cantidades iguales de los tres nucleotidos, ATP = ADP = AMP, la carga

energetica de la celula serfa 0,5.

Como todos los convenios, el concepto de carga energetica tiene una utilidad

limitada. Nadie esta muy seguro de 10 que significa que una celula sea descrita

como teniendo una carga energetica de 0,7 en comparacion a 0,860,6. El concep-

to no tiene en cuenta la cantidad absoluta de los nucleotidos.en una celula, ni per-

mite establecer diferencias totales en la respuesta (vease Secci6n 2.8.1.5) de enzi-

mas individuales (a las cuales el concepto de carga energetica fue aplicado inicial-

mente), entre ATP y su complejo con magnesio (la forma en la que el ATP existe

en la celula), Existen diferencias no explicadas entre los valores de la carga energe-

tica que se encuentra tipicamente en bacterias, levaduras y hongos. Sin embargo,el concepto es util para conocer los cambios en energia y los correspondientes cam-

bios en actividad enzimatica dentro de un tipo dado de celulas, por ejemplo, du-

rante el crecimiento. Cuando una celula esta creciendo mas rapidamente, el valor

de la carga energetica esta en su nivel mas bajo; El ATP se utiliza tan rapidamente

como puede resintetizarse. A medida que la velocidad de crecimiento se hace mas

lenta, al final del crecimiento, la proporcion de ATP se eleva en relaci6n a la de

ADP y AMP; por tanto la carga energetica comienza a elevarse. La carga energeti-

ca maxima se alcanzara cuando las celulas hayan cesado de crecer y todo el ADP

y AMP se hayan convertido en ATP.

2.3 Vias catab6licas

Aunque los microorganismos pueden utilizar una amplia variedad de compues-

tos de carbono para crecer, consideraremos principalmente el metabolismo de la

glucosa y en vista de su importancia economica cada vez mayor el del etanol (yotros compuestos C2), hidrocarburos y acidos grasos,metano y metanol.

2.3.1. Glucosa y otros carbohidratos

En casi todas las clases de celulas vivas, las dos rutas mas importantes del me-

tabolismo de azucares son las vias de las hexosa difosfato y de las hexosa mono-

fosfato; generalmente existen simultaneamente, proporci6nando importantes co-

nexiones con los procesos anabolicos y estas interacciones estan sometidas a me-

canismos clave de control. .

La via de las hexosa-difosfato (frecuentemente denominada de Embden-II •.. ,;,'"' ..~ '!"....liqjq) Q!J9d..~~...eP.-.l:;! ~iq!!r!>..22 Collvie~ pJ!lcosa~-

ruvato sin perdida de carbonos, reduciendo dos moleculas de coenzima NAD +

(vease Fig. 2.3a) a NADH (vease Fig. 2.3b) y generando dos moleculas de ATP.



BIOQUIMICA DEL CRECIMIENTO Y METABOLISMO 15

ATP ()

glucosa \ 1 I 6 P\ • 9 ucosa .

ADP

(2)

fructosa 6 P

ATP\ (3)

';;:: • fructosa 1,6·P,

ADP

(4)

dihidroxiacetona I·P

1,3,P"glicerato

{ion fosfato

/

NAD+

(6)_

J i (5)

. INADH

gliceraldeh(do 3·P

t

)DP

ATP

(8) (9) ADP\ (10)\ . piruvato·p·glicerato ---- 2'P'glicerato --_ fosfoenolpiruvato

ATP

Fig. 2.2 Via de la glicolisis 0 de Embden-Meyerhof. Las reacciones posteriores al gliceral-dehido3 fosfato, etapas 6-10, implican 2 moles de substrato y de productos de reacci6n por

mol de glucosa utilizada, de forma que la reacci6n global es:

Glucosa + 2 NAD + + 2 H2P04 - - 2 piruvato + 2 NADH + 2 ATP

Las enzimassucesivas son: (1) hexoquinasa, (2) glucosa fosfato isomerasa, (3) fosfofructo-

quinasa, (4 ) aldolasa, (5) triosa fosfato isomerasa, (6) gliceraldehido fosfato dehidrogena-sa, (7) 3-fosfoglicerato quinasa, (8) fosfogliceromutasa, (9) fosfo-enolpiruvato dehidrata-sa, (10)piruvato quinasa, P representa un grupo ester fosfato.

EI piruvato que se forma es una fuente de precursores anabolicos importantes y

en los organismos aerobios es tambien un substrato oxidable, En anaerobios el pi-ruvato 0 sus productos de transformacion deben tambien actuar como agentes pa-

ra la reoxidacion del NADH.

La via de las hexosa monojosjato, tam bien conocida como ruta de las pentosa

fosfato, se muestra en la Figura 2.4. Como proceso oxidativo convierte glucosa

en pentosas y CO2 reduciendo dos moleculas de NADP + (un coenzima relaciona-

do al NAD + , vease Fig. 2.3a) a NADPH. (Ambos pares, NAD/NADH y NADP

INADPH funcionan por transferencia de protones pero tienen papeles diferentes;

el NADH actua principalmente en reacciones redox acopladas a la obtencion deenergia mientras que el NADPH es utilizado principalmente para etapas reducto-

ras en procesos anabolicos).

A traves de la serie de interconexiones reversibles mostradas en la Figura 2.4,

los fosfatos de pentosas estan equilibrados libremente con otros azucares fosfato

que tienen de 3 a 7 carbonos, con distintos papeles metabolicos que dependen de

las circunstancias glob ales. Los fosfatos de triosas son los mismos que los forma-

dos en la glicolisis (Fig. 2.2) y por reversion de la etapa de hidrolisis en esa secuen-

cia pueden regenerar hexosas en forma de difosfato; el fosfato de tetrosases im-



16 BlaI'ECNOLOGIA BASICA

Grupo

reactivo <, ~

o -C-NH2

+

~ ~.NHO-P-O-CH2 0

H HH H

HO OH

X I H Il.,) CONH2

HO-~-O-C~' N

H HH H

HO OH

(a) NAO'/NAOP' (b) NAOH/NAOPH

Fig. 2.3 (a) NAD+ INADP+ (oxidado), (b) NADH/NADPH (reducido). En NAD+ y

NADH, R = H; en NADP + y NADPH R = pol-

portante como precursor anab6lico de los aminoacidos aromaticos y los fosfatos

de pentosas se requieren para la sfntesis de acidos nucleicos (vease Fig. 2018).

En la mayor parte de los microorganism os, entreel 66 y el 80 % de la glucosa

se metaboliza a traves de la via de Embden-Meyerhof y el resto por la via de los

fosfatos de pentosas. El punto que controla la proporci6n de carbo no que fluye

hacia cada ruta se encuentra normalmente en la via de Embden-Meyerhof, a nivelde la fosforilaci6n de fructosa-6-fosfato a fructosa 1,6 difosfato, catalizada por

la fosfofructoquinasa (PFK). La constituci6n molecular de esta enzima es tal que

su actividad enzimatica puede modularse de acuerdo con el estado metabolico'que

prevalece en la celula; si se requiere mas energfa, la actividad PFK aumenta; si la

celula tiene suficiente energia 0 suficientes cantidades de metabolitos derivados

de C3, la actividad PFK desciende.

Este principio de control enzimatico por modulaci6n de la actividad catalitica

de las enzimas clave, esta muy extendido. Las vias metab6licas deben estar siempre

controladas y para que la celula opere tan eficientemente como sea posible la acti-vidad total debe estar coordinada. En relaci6n al control de PFK esto se lleva''''

cabo de dos formas. En primer lugar la enzima es activada, es decir, la velocidtUt'

ala cual puede catalizar la reacci6n aumenta con la presencia de AMP 0 ADP.

Por tanto, cuando la carga energetica de la celula (vease Secci6n 2.2) es baja,Ia



BIOQUIMICA DEL CRECIMIENW Y METABOLISMO 17

NADP+

glueosa --_ glueosa 6·P \\(' 6·P·glueonato(I) "'

NADPH

NADP+ cO2

\ I,ribulosa 5.P

' : m ~ : y~'ffi"

ribosa 5·P xilulosa 5·P

transeeto~

glieeraldehido 3·P sedoheptulosa 7·P

transaldOlasX

fructosa 6-P eritrosa 4-P

C

s

- - 3 C [ _ " : ~ : 1 5(tC.) Cs C4

• Cs C3I I

~ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ~

fruetosa 6·P glleeraldehido 3·P

Fig. 2.4 Ciclo de las pentosa fosfato (desviacion de las hexosa monofosfato). Las enzimasnumeradasson: (1 ) glucosa 6-P dehidrogenasa, (2) fosfogluconato dehidrogenasa. Inserto:resumenque muestra la estequiometrla cuando la fructosa 6 fosfato es reciclada a glucosa6 fosfato por una isomerasa; el gliceraldehido 3 fosfato puede tambien ser reciclado porglic6lisisrevertida (Fig. 2.2). Con el reciclamiento completo la via funciona como un gene-rador de NADPH pero las reacciones de la transcetolasa y la transaldolasa tambien permi-

ten interconversiones de azucares y se utilizan en otras vias.

PFK operaria a una velocidad mas alta. En segundo lugar la enzima es inhibida

por un intermediario formado c'Jriente abajo de la via metabolica, generalmente

fosfoenolpiruvato 0 citrato. Por .tanto, si uno de estos productos no esta siendo

efectivamente convertido a otros productos, la celula no necesitara continuar su

produccion.

Otros puntos en los que el metabolismo de la glucosa puede ser regulado va-

rian de organismo a organismo, pero siempre de tal forma que los procesos catali-

ticos satisfagan las demandas metabolicas tan ajustadamente como sea posible.

La via de Embden-Meyerhof y el ciclo de los fosfatos de pentosa no son las

unicas vias de metabolismo de la glucosa, aunque son con mucho las mas comu-

nes. Una mayor alternativa a la ruta de Embden-Meyerhof es la via de Entner-

Doudoroff encontrada en varias especies de Pseudomonas y bacterias relaciona-

das, que se muestra en la Figura 2.5. Las enzimas del ciclo de los fosfatos de pen-

tosas se requieren todavia para producir los azucares C5 y C4, pero el flujo esta

ahora invertido en relacion a la direccion dada en la Figura 2.4.

Otra enzima de alguna importancia, tal vez mas extendida de 10 que general-

mente se reconoce, es la fosfocetolasa. Este tipo de enzima (puede haber mas de

una) actua sobre un fosfato de azucar C5 0 C6 para producir acetil-fosfato y bien

gliceraldehido-3-fosfato 0 eritrosa-4-fosfato (dependiendo de si se utiliza un azu-

car C5 0 C6) (ver Fig. 2.6). Estas enzimas se encontraron original mente en los lac-

tobacilos heterofermentativos (Seccion 2.7.2) y en las acetobacterias, en las que


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18 BIarECNOlDGIA BASICA

glucosa - glucosa 6'P\:

NADPH

6·fosfogluconato

(1 )

- 2·ceto-3·desoxl-6-fosfogluconato

(a aztlcares C. y C" Fig. 2.4) .. ------ - gliceraldehfdO 3-P plruvato

I ...J

Fig. 2 .5 Via de Entner-Doudoroff. Esta reemplaza a veces ala glicolisis (Fig, 2.2). L as

enzimas numeradas son: (1 ) fosfogluconato dehidratasa, (2) una aldolasa especifica.

glucosa _ glucosa 6.P _ 6-p-gluconato ribulosa 5-P

fructosa s·p xilulosa 5-P

hexosafosfoce/O/asa

eritrosa 4-P

f(como en Fig. 2.4)

acetlt-P

tgliceraldehfdo 3-P

f(a acetieo 0 aeeti/·CoA) (a piruvato)

Fig. 2.6 Via de la fosfocetolasa. Estos procesos pueden ser adicionales a los de las Figuras2.2 y 2.4, de metabolismo de la glucosa por la via de la pentosa fosfocetolasa y pueden

reemplazar a la glic6lisis en algunas bacterias.

funcionan en lugar de la via de Embden-Meyerhof. El acetil-fosfato que resulta

puede ser convertido a acetato 0 etanol. Mas recientemente se ha encontrado que

la fosfocetolasa es un enzima inducida presente en la mayor parte de las levaduras

cuando crecen aer6bicamente sobre xilosa como unica fuente de carbono. En este

caso, la xilosa es metabolizada primero via xilitol a xilulosa y esta entances entra

en el esquema indicado en la Figura 2.6. a nivel de xilulosa-5-fosfato. (En bacte-

rias que crecen sobre xilosa existe una isomerasa que convierte la xilosa direct a-

mente a xilulosa). Bajo estas circunstancias,la Cs fosfocetolasa no reemplaza a

la via de Embden-Meyerhof sino simplemente'proporciona una ruta eficiente para

que el organismo convierta una pentosa en unidades C2 y C3 para su posterior me-

tabolismo. La enzima puede por tanto tener una amplia distribuci6n en los mi-

croorganismos, no s610en las levaduras, cuandoestan creciendo sobre xilosa 0. so-

bre pentosas,




2.3.2. Cicio de los acldos tricarboxflicos

Las vias discutidas hasta el momenta conduciran a la larga a la producci6n

de compuestos especificos de C3 0 C2, sean piruvato 0 acetato, el ultimo comoacetil-CoA, que es un tioester con reactividad de tipo de anhidrido (Fig. 2.7). EI

metabolismo aer6bico posterior del piruvato y el acetil-CoA se realiza a traves de

un proceso cfclico que tiene dos funciones diferentes: produce intermediarios que

se utilizan posteriormente en las reacciones biosinteticas y en la oxidaci6n de los

compuestos, eventualmente hasta C02 y agua, acopla las reacciones oxidativas a

la transferencia de energfa, Este proceso cfclico de oxidaci6n de acetil-CoA, ubi-

cuo en todas las celulas aer6bicas se denomina ciclo de los dcidos tricarboxilicos

(cicIo del acido citrico, cicIo de Krebs).

En las celulas eucari6ticas, las reacciones del cicIo de los acidos tricarboxilicos

y de producci6n de energia se llevan a cabo en las mitocondrias, mientras que en

bacterias las principales enzimas de producci6n de energia estan asociadas con la

membrana citoplasmica. Puesto que el proceso mitocondrial comienza con el trans-

porte del piruvato ala mitocondria, es conveniente incIuir las reacciones que rela-

cionan el piruvato al cicIo de los acidos tricarboxI1icos.

EI piruvato se convierte en acetil-CoA mediante un complejo multienzimatico,

la piruvato dehidrogenasa, que cataliza la reacci6n global:

Piruvato + CoA + NAD + - acetil-CoA + C02 + NADH

EI metabolismo subsecuente de la acetil-CoAse realiza a traves de las reaccio-

nes del cicIo de los acidos tricarboxflicos que se indican en la Figura 2.8.

Las funciones de este cicIo son:

(i) producir intermediarios que puedan utilizarse en otras rutas biosinteticas

(vease Fig. 2.18), por ejemplo:

2-oxoglutarato ~ glutamato-» proteinas

~ ~glutamina acido f6lico

succinato-« porfirinas ~ hemo ~ citocromos

oxalacetato ~ aspartato ~ protein asv t <,

(lisina, metionina, treonina)

Las reacciones que conducen a aspartato y glutamato son particularmente im-

portantes como principal ruta por la que las celulas asimilan amonio.

(ii) recuperar energfa de las reacciones oxidativas. Lasenzimas isocitrato liasa;

2-cetoglutarato dehidrogenasa, succinato dehidrogenasa y.malato dehidrogena-

sa catalizan la oxidaci6n progresiva de los intermediarios con la conversi6n para-

lela de los cofactores de la enzima de oxidantes a reductores. Los coenzimas son


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20 BlaI'ECNOLOGIA-BASlCA

Fig. 2.7 Coenzima A (CoA).

majlato (10) \,

NAOH

(9)

turriarato

, , , 1 : : ' " " '

oxalacetato

acetil-CoA +

- : - c : - - \ _ ; . _ _ - - . : : \ - - - - cltrato --:-~_ aconitato(1) (2) , , ,oA

eoA GTP

succinato _--,\..___--,,\ ... { .;...7.;...)

\GOP

succinil-CoA

NAOH CO2

\ _ ~6).~NAO+ eoA

isocitrato

( 4 + NAO+

CO2

NAOH

"'(5)~ (oxalosuccinato)-oxoglutarato

Fig. 2.8 Cicio de los acidostricarboxilicos. (ATP/ADP pueden reemplazar a GTP/GDP).

La reacci6n global es:

acetil-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP~ 2C02 + coenzima A + 3NADH + FADH2 + GTP

Las etapas numeradas son catalizadas por: (1) citrato sintasa, (2, 3) aconitasa, (4, 5) isoci-

trato dehidrogenasa, (6) 2-oxogluconato dehidrogenasa, (7) succinato tioquinasa, (8) succi-nato dehidrogenasa, (9) fumarasa, (10) malato dehidrogenasa.

NAD+ y FAD que se trans form an en NADH y FADH2 (Fig. 2.3a), estos son aho-

ra reoxidados a los coenzimas originales por un proceso de/os/orilaci6n oxidativa

(vease Secci6n 2.5) que produce 3 moles de ATP a partir de cada mol de NADH

y 2 moles de ATP de Ia reoxidaci6n del FADH2. Serecupera tambien energia de

la reacci6n de la succinato tioquinasa (Fig. 2.8)

Aunque el ciclo es aparentemente autosuficiente en el sentido de que una vez

iniciado por el oxalacetato deberfa mantenerse trabajando indefinidamente, en la

practica esto no sucede. Como hemos indicado anteriormente, el ciclo debe tam-

bien proporcionar intermediarios para las reacciones biosinteticas, y cuando se eli-



c:

BIOQUlMICA DEL CRECIMIENTO Y METABOLISMO 21

mina cualquier intermediario del cicIo, no puede ocurrir la sintesis de oxalacetato

y la regeneraci6n del citrato. Es por consiguiente necesario que pueda formarse

oxalacetato adicional independientemente y esto ocurre principalmente por car-

boxilaci6n del piruvato:

Piruvato + C02 + ATP -+ oxalacetato + ADP + Pi

Esta reacci6n es llevada a cabo por la piruvato carboxilasa. Sin embargo, en

la medida en que se produce el oxalacetato a partir del cicIo, la carboxilaci6n del

piruvato debe estar regulada de forma que el acetiI-CoA y eloxalacetato se pro-

duzcan siempre en cantidades iguales. Esto se consigue porque la piruvato carbo-

xilasa depende del acetiI-CoA como ejector positivo (vease Secci6n 2.8.1.5) es de-

cir que aumenta su actividad. Cuanto mas acetil-CoA esta presente, mas deprisa

se produce oxalacetato. Cuando el oxalacetato y el acetil-CoA se utilizan (para for-mar citrato), la concentraci6n de acetil-CoA disminuye; la piruvato carboxilasa tien-

de a descender pero, como la piruvato deshidrogensasa todavia es operativa, se

producira mas acetil-CoA. De esta forma no s610 continuara la sfntesis de acido

citrico, sino que las dos reacciones que conducen a los precursores del citrato esta-

ran siempre equilibradas.

Existen controles adicionales que regulan la actividad del cicIo. Algunas de sus

enzimas se inhiben por ATP y otras dependen de la presencia de AMP para su

actividad. Por consiguiente, el cicIo puede estar regulado por la relaci6n de ATP

a AMP existente, es decir por la carga energetica (ver Secci6n 2.2) dentro de la

celula, Estos mecanismos de control no son universales y tienen que ser demostra-

dos para cada organismo individual 0 grupos de organismos; no seran considera-

dos con mayor detalle, pero los principios generales de control del metabolismo,

tal como se ha discutido para la regulaci6n de la glic6lisis (pag. 16) siguen siendo

aplicables.

2.3.3. Desviaci6n del glioxalato (crecimiento sobre compuestos C2)

Si un organismo crece sobre un compuesto C2, sobre un acido graso, 0 sobre

un hidrocarburo que es degradado primariamente a unidades C2 (vease Secci6n

2.3.4), el cicIo de los acidos tricarboxflicos es insuficiente para justificar su meta-

bolismo. Como se mostr6 en la secci6n anterior, cualquier compuesto que se utili-

ce para sintesis y por tanto salga del cicIo de los acidos tricarboxflicos detendra

eficazmente la regeneraci6n de oxalacetato debido a su eliminaci6n. Como los com-

puestos C2 no pueden ser convertidos en piruvato (la reacci6n de la piruvato dehi-

drogenasa es irreversible, ver pag, 19) no hay forma por la que el oxalacetato, 0

en realidad cualquier compuesto C4, pueda ser producido a partir de un compues-

to C2 por las reacciones indicadas hasta el momento.



22 BIOfECNOlDGIA BASICA

EI acetil-CoA puede generarse directamente a partir de acetato si este se usa

como fuente de carbono, 0 a partir de un compuesto C2mas reducido que el ace-

tato, por ejemplo acetaldehido 0 etanol:

NAD+ NADH NAD+ NADH ATP ADP+~

C2HsOH\ _ _ _ ; ' - - - - " 4 ~ CH,CHO - \ - " - - - . . . L . i ~ CHjCOO- 1 - - - - 4 Acetil-CoA

CoA

La forma en la que las unidades de acetato se convierten a compuestos C4 se

conoce como la desviaci6n del glioxalato (ver Fig. 2.9) para la que se necesitan

dos enzimas adicionales a las del cicIo de los acidos tricarboxilicos: i soc it ra to lia say m a la to s in ta sa . Ambas enzimas son inducidas (ver Secci6n 2.8.1.3) cuando los

microorganismos crecen sobre compuestos C2; la actividad de las enzimas aumen-

ta unas 20 a 50 veces en dichas condiciones de crecimiento. La desviacion del glio-

xalato no substituye la operaci6n del cicIo de los acidos tricarboxilicos; por ejem-

plo se producira todavia 2-cetoglutarato (a partir de isocitrato) a fin de suminis-

trar glutamato para la sintesis de proteinas, etc. EI succinato, el otro producto de

la isocitrato liasa, sera metabolizado como antes para producir malato y a partir

de el oxalacetato. Por consiguiente, a traves del cicIo delglioxalato, los compues-

tos C4 pueden ahora producirse a partir de unidades C2 y estan de esta forma dis-

ponibles para la s fn te sis de todos Ips metabolitos de la celula (cf Fig. 2.18). Su con-

versi6n a azucares se detalla en la Secci6n 2.4.

azucares (ef. Fig. 2.2)

tfosfoenolplruvato

" /\.DP,C02 (3)""" ATP /"

m T ~ " " " t o / - .-,""--___,:----i.~eitrato -- ....

' T t ofumararato

I

aeetil·CoA

tsueeinato ....:.. . . . . . . . . .. succinil·CoA 2·cetoglutarato ....: (oxeiosuccintco)

Fig. 2.9 Via de.rodeo del glioxalato. Las reacciones adicionales, mostradas contra.el mis-mo fondo que las de Ia Figura 2.8 son: (1) isocitrato liasa, (2) malato sintasa. EI e~quematambien muestra como funciona el rodeo de forma que permite la formaci6n a partir deacetil-CoA con 1 a reaccion aiiadida, (3) fosfoenolpiruvato quinasa, seguida por glic6lisisinversa (Fig. 2.2).



BIOQUIMICA DEL CRECIMIEN10 Y METABOLISMO 23

2.3.4. Acidos grasos e hidrocarburos

La capacidad de crecer sobre hidrocarburos no esta muy extendida entre las

bacterias, levaduras y hongos, en tanto que la capacidad de utilizar acidos grasos

o aceitesy grasas que los contengan es mas comun, Los hidrocarburos se utilizancomounica fuente de carbono en la producci6n de protefna unicelular en la URSS

(verCapitulo 10) y pueden ser utilizados en otros procesos, por ejemplo para la

producci6nde acido citrico (ver Capitulo 13). Los acidos grasos y los aceites vege-

talesse anaden frecuentemente como cosubstratos en la producci6n de antibi6ti-

cos (ver Capitulo 16).

Para la utilizaci6n de aceites y grasas (trigliceridos), el organismo debe hidroli-

zar la uni6n ester usando una lipasa (intra 0 extracelular). Esto produce acidos

grasos libres (3 moles), mas glicerol (1 mol); el glicerol se utiliza por la ruta deEmbden-Meyerhof.Muchos microorganismos pueden tambien utilizar acidos grasos

libres.Sinembargo, si tales acidos grasos son tornados porla celula 0 actualmente

formados en ella, son extremadamente t6xicos (debido a sus propiedades surfac-

tantes)y deben ser convertidos inmediatamente en los tioesteres de sus coenzimas A.

Los tioesteres son adecuadamente activados para la degradaci6n de la cadena

aciladadel acido graso por las reacciones de secuencia cfclica representadas en la

Figura 2.10.En cada vuelta del cicIo, se libera 1 mol de acetil-CoA y el acil-CoA

grasas

hi~

hidrocarburos

/ (alcanos)

/oxlaaci6n

acidos grasos

CoA,ATP

-It -""""ADP

acll-coenztma A

CH3-CO-SCoA

(acetil-CoA)

CoA-SH

Fig. 2.10 {1-oxidacionde acidos grasos. Con cada «vuelta» del ciclo se pierde acetil-CoAy es formada una nueva acil-Cos, de acido graso con dos atom os de carbono menos quela anterior, hasta que los productos finales son 2 acetil-CoA y propionil-CoA dependiendo

de si el acido graso tiene un numero par 0 impar de atomos de carbono.



24 BlarECNOlDGIA BASICA

ester del acido graso ahora con dos carbonos menos en la longitud de la cadena,

inicia de nuevo el cicIo oxidativo. La secuencia conocida como el cicIo de la {3-

oxidacion continua hasta que el substrato para la reacci6n final es el compuesto

C4, acetoacetil-CoA, que entonces da 2 moles de acetil-CoA. Si un acido graso

tiene un numero impar de atornos de carbono, la degradaci6n procede hasta que

se haya formado propionil-CoA (C3) el cual se convierte a piruvato por la inversa

de la secuencia de reacciones que hemos dado en la secci6n 2.7.3.

Los microorganismos que crecen sobre n-alcanos generalmente comienzan con

un ataque inicial sobre uno de los dos grupos metilo terminales. Los mecanismos

de ataque por la enzima alcano hidroxilasa, requieren oxigeno molecular y un co-

factor reoxidable que contiene hierro. El cofactor es tambien oxidado y la regene-

raci6n de la forma reducida esta ultimamente unida a un portador hidrogenado,

NADH 0 NADPH:

O2

R.CH,t

R.CH20H

tH20

cofactor reducido

X

FA~ X NAD(P)H

protema

cofactor oxidado FADH2 NAD+

El alcohol graso se oxida entonces al correspondiente acido graso en dos eta-

pas de deshidrogenaci6n:

•R.CH;;OH>----<:R.CHO~R.COOH

NAD+ NADH NAO:-~NADH

Tipicamente todas las enzimas asociadas con la degradaci6n de alcanos mues-

tran una amplia especificidad de substrato y reaccionan rapidamente con substra-

tos de CIO a C1S.Diversos microorganismos pueden atacar tambien cadenas mas

cortas 0mas largas. En unos pocos casos se ha descrito el ataque subterminal so-

bre alcanos, con la producci6n de una metil-cetona (R.CO.CH3) que en Ultimo ter-

mino se corta por oxidaci6n para dar metil-formato y un acido graso con dos ato-mos de carbona menos que el alcano original.

Los acidos grasos que se producen a partir de la degradaci6n de los alcanos

son generalmente degradados por el cicIo de {3-oxidaci6n (Fig. 2.10) aunque en al-

gunos organism os existe un proceso de w-oxidaci6n que produce acidos dicarboxi-

licos. Estos son entonces degradados desde un extremo por {3-oxidaci6n. Los aci-

dos grasos son tambien usados por las celulas para la formaci6n directa de sus

propios lipidos y por tanto la longitud de la cadena de los alcanos esta reflejada

en la longitud de la cadena de los acidos grasos encontrados en la celula.




'Iambien pueden ser metabolizados los alcanos y algunos hidrocarburos de ca-

dena ramificada; no son utilizados a escala comercial pero pueden estar presentes

como componentes menores en los piensos. Su oxidacion implica invariablemente

la conversi6n a un acido graso.

2.3.5. Metano y metanol

Un numero pequeno de microorganism os (bacterias y levaduras) que son de-

nominados metilotrofos pueden utilizar metanol como unica fuente de carbono;

la capacidad de utilizar metano ha sido encontrada hasta el momento en solo un

numero relativamente pequefio de bacterias denominadas metanotrofas. Unos po-

cosmicroorganismos pueden utilizar formato como fuente de carbono. Estos trescompuestos estan metabolicamente relacionados y pueden ser oxidados en ultimo

lugar a CO2. El mecanismo de su incorporacion a material celular es diferente del

de la fijacion autotrofica del C02.

(La utilizacion del C02 como unica fuente de carbono es competencia de las

plantas, de los microorganismos fotosinteticos y de unas pocas bacterias quimioli-

totrofas que utilizan reacciones de compuestos inorganicos como fuente de ener-

gia. Estos organismos actualmente tienen pocas aplicaciones en procesos de bio-

tecnologia. Ellector que desee conocer mas acerca de la via de la fijacion autotro-fica del CO2 deberia consultarla en cualquier libro de texto de bioquimica, pero

debera observar que existen al menos dos rutas diferentes: el ciclo de Calvin y un

ciclo reductivo de los acidos carboxilicos).

El mecanismo de oxidacion del metano es secuencial:

La primera etapa se lleva a cabo mediante una oxigenasa con NADH (0

NADPH) como cofactor (comparese con la oxidacion ya indicada de los alcanos

superiores):

La enzima (un complejo de tres proteinas) oxidara tambien una varied ad de

otros compuestos incluyendo varios alcanos e incluso metanol.La segunda reaccion en la secuencia es catalizada por la metanol dehidrogena-

sa, utilizando una pirroloquinolina quinona (PQQ) recien descubierta, como

cofactor:

CHPH + PQQ~ HCHO + PQQH2

. En algunas bacterias la oxidacion posterior del formaldehido a acido f6rmicoes catalizada por la misma enzima; en otras puede haber formaldehido deshidro-



26 BIOfECNOLOGlA BASICA

genasas separadas,con NAD como cofactor. La etapa final, la conversion de for-

mato a C02 es llevada a cabo por la formato deshidrogenasa y esta de nuevo liga-

da a la reduccion de NAD + .

La asimilacion de carbon a partir de metano 0metanol en material celular seefectua a nivel de formaldehido y por al menos dos rutas independientes: el cicio

de fa ribulosa monofosfato (a veces denominado ciclo de Quayle) y la via de fa

serina, mostradas en las Figuras 2.11 y 2.12 respectivamente.

[ § J H C H O

~(1lribulosa-5-fosfato ------"------i)O~ 3-cetohexulosa 6-fosfato

!t ( 2 1

L - - - - - ~ - - - - - - - - - - - - - - - - - fructosa 6-fosfato

Fig. 2.11 Asimilaci6n de formaldehido en bacterias: ciclo de la ribulosa monofosfato. Las

enzimas son: (1) 3-cetohexulosa 6 fosfato sintasa, (2) fosfo-3-hexulosa isomerasa. Mediantelas reacciones de la Figura 2.4, 5/6 de la fructosa-6-fosfato es regenerado el aceptor, ri-

bulosa-5-fosfato.

El ciclo de la ribulosa monofosfato (Fig. 2.11) es similar al ciclo de Calvin utili-zado para la fijacion autotrofica de C02 en que utiliza las reacciones del ciclo de

las pentosa fosfato (ver Fig. 2.4) para regenerar el aceptor para el compuesto C1que entra. Solamente se necesitan dos enzimas adicionales: 3 hexulosa-fosfato sin-

tasa (A) y 3-fosfo-hexulosa isomerasa (B):

CH20H

IHO-C-H

IC=O---.,.I · (8)

H-C-OH

IH-C-OH

ICH20.P03H2

Las enzimas clave de la via de la serina (Fig. 2.12) son la malil-CoA liasa queproduce acetil-CoA y glioxalato y la serina transhidroximetilasa, una enzima om-

nipresente que utiliza tetrahidrofolato (un cofactor capaz de formar el intermedia-

rio C1 activado necesario, N10-formiltetrahidrofolato). La desviacion del glioxala-

to (ver Fig. 2.9) opera entonces sobre la acetil-CoA, de forma que la celula esta

realmente creciendo sobre un substrato C2. La isocitrato liasa esta de-reprimida

(ver pag, 22) para asegurar la producci6n de unidades C3.



BIOQUIMICADEL CRECIMIENTO Y METABOLISMO 27

I

"ii) ' "§ttl . f l 1

§

' "0E O0o

.2~

~: ~ - - - - - - - - - - - - r - - - . .

t



28 BIOTECNOLDGIA BASICA

En levadurasexiste una variaci6n adicional del cicIo de las pentosa-fosfato por

la cual el formaldehido reacciona con la xilulosa-5-fosfato para producir

gliceraldehfdo-3-fosfato y dihidroxiacetona (ver Fig. 2.13). Esta reacci6n esta cata-

lizada por un tipo especial de transcetolasa (cf Fig. 2.4). La unica enzima adicio-

nal necesaria ahora para completar el ciclo de asimilaci6n del formaldehido es unanueva quinasa para convertir la dihidroxiacetona a dihidroxiacetona fosfato.

HCHO gliceraldehfdo3·P ·--------1I

transcet%sa :I

I

xilulosa5·P dihidroxiacetona:

t ATPJ quinasa :: ADP1;: dihidroxiacetona·p -------iI I

L-----~-- - ------ J

Fig. 2.13 Asimilaci6n de formaldehido en levaduras que utilizan metanol. La linea dis-continua muestra la regeneraci6n del aceptor, xilulosa 5 fosfato, a partir de las reaccionesde la Fig. 2.2 y 2.4 que cuentan por 5/6 de las triosa fosfato formadas.

2.4. Gluconeogenesis

Cuando un organismo crece sobre un compuesto C2 '0C3, 0 un material cuyo

metabolismo produzca tales compuestos, al nivel, 0por debajo del nivel del piru-

vato (por ejemplo hidrocarburos alifaticos, acetato, etanol 0 lactato), es necesario

que el organismo sintetice varios azucares para proveer sus necesidades metaboli-

cas. Esto se denomina gluconeogenesis. Aunque la mayor parte de las reacciones

en la via glicolitica (ver Figs. 2.2 y 2.4)'son reversibles, las catalizadas por la piru-vatoquinasa y la fosfofructoquinasa no 10 son y es necesario que la celula rodee

estos bloqueos.

En general, el.fosfoenolpiruvato no puede formarse a partir de piruvato, aun-

que en unos pocos organismos existe una enzima, la fosfoenolpiruvato sintasa, que

puede llevar a cabo la reacci6n:

piruvato + ATP - fosfoelpiruvato + AMP + Pi

Mas frecuentemente se utiliza el oxalacetato como precursor:

oxalacetato + ATP - fosfoenolpiruvato + C02 + ADP

Esta reacci6n es catalizada por la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa que es la

enzima clave de la gluconeogenesis. La formaci6n de oxalacetato ha sido ya discu-



BIOQUIMICA DEL CRECIMIENlO Y METABOLISMO 29

tida(Secci6n2.3.3). La irreversibilidad de la fosfofructoquinasa (que produce fruc-

tosa 1,6bisfosfato) es evitada por la acci6n de la fructosa bis-fosfatasa:

fructosa 1,6 bisfosfatasa + H20 - fructosa 6 fosfato + Pi

Desdeeste punto las hexosas pueden ser formadas por reversion de la glicolisis

y los azucares Cs YC4 pueden ahora formarse mediante la via de las pentosas fos-

fato (Fig. 2.4). En si la glucosa no es un producto final de la «gluconeogenesis»

perola glucosa-6-fosfato se utiliza para la sintesis de los constituyentes de la pared

celulary una larga variedad de polisacaridos extracelulares y de almacenamiento.

2.5. Metabolismo energetico en organismos aer6bicos

Se ha explicado ya como en el metabolismo de la glucosa (Figs. 2.2 y 2.4) y

en el ciclo del acido tricarboxilico (Fig. 2.8), la oxidaci6n de los distintos interme-

diarios metabolicos esta ligada a la reduccion de un mimero limitado de cofacto-

res (NAD+, NADP+, FAD) a sus correspondientes formas reducidas (NADH,

NADPH, FADH2). El poder reductor de estos productos se libera mediante una

secuenciade reacciones complejas que en los sistemas aerobicos esta acoplada en

ultimo termino ala reduccion del oxigeno atrnosferico. Durante esta secuencia,

el ATP se genera a partir de ADP y fosfato inorganico (Pi) en dos 0 mas (gene-

ralmente tres) puntos especfficos en la cadena de transporte de electrones depen-

diendo de la naturaleza del agente reductor original. Esto se muestra en la Figura

2.14. -La reacci6n global puede escribirse asi:

NADPH + 3ADP + 3Pi+ !Or~ NADP+ + 3ATP + H20

NADH + 3ADP + 3Pi+ !02~ NAD+ + 3ATP + H20

FADH + 2ADP + 2Pi+ !02~ FAD + 2ATP + H z O

La producci6n de ATP por mol de glucosa metabolizada por la via de Embden-

Meyerhof (Fig. 2.2) y del piruvato que se origin a, metabolizado por las reacciones

del ciclo de los acidos tricarboxilicos (Fig. 2.8) se resume en la Tabla 2.1.La producci6n de energia utilizable biologicamente en la forma de ATP, se pro-

duce en las membranas de las mitocondrias en organismos eucari6ticos 0 en la

membrana citoplasmica en bacterias. Ambos procesos son ampliamente similares,

con diferencias de detalle entre organismos individuales. Los principales compo-

nentes de la cadena de transporte de electrones son las flavoproteinas, quinonas

y citocromos (ver Fig. 2.14)cuya propiedad es la de ser capaces de reducirse (acep-

tando protones 0electrones) y luego oxidarse, liberando electrones al siguiente trans-



30 BIOfECNOLOGIA BASICA

Tabla 2.1 Produccion de ATP a partir del metabolismo de la glucosa

Moles de ATP producidospor mol de hexosa

Glicolisis (glucosa a piruvato)Producci6n neta de ATP 2 moles

NADH = 2 moles x 3

Piruvato a acetil-CoANADH = 1 mol x 3 (x 2 for 2 piruvato)

Cicio del acido tricarboxilicoNADH = 3 moles x 3 (x 2 por 2 acetil-CoA)FADH2 = 1 mol x 2 (x2 por 2 acetil-CoA)

ATP = 1 mol (x2 por 2 acetil-CoA)

2a

6

6

184

2

38

a En condiciones anaerobias todo el NADH y piruvato deben consumirse sin oxidacion netay estos 2 moles de ATP representan la produccion maxima obtenible (fosforilacion a nivel desubstrato)

portador de una forma eficiente y acoplada. Cada transportador tiene un poten-

cial redox diferente, que aumenta escalonadamente desde aproximadamente -320Vpara la reaccion NADH/NAD + hasta aproximadamente +800 mV para la reac-

cion final: Y202/H20. En ciertos puntos de la cadena la diferenciaen potencial

redox entre dos portadores adyacentes es 10 bastante grande como para dirigir la

reaccion reversible: ADP + Pi'" ATP en la direccion de sintesis de ATP. Esta ac-

tividad esta asociada con una enzima compleja, con multiples subunidades deno-

minada ATPasa.

Existen dos hip6tesis principales acerca de c6mo funciona la ATPasa. En la \

hip6tesis quimiosmotica desarrollada por Mitchell durante los pasados veinte anos, )

se considera que los componentes de la cadena de transporte de electrones estan

dispuestos espacialmente a traves de la membrana. Esto genera un gradiente de

pH y un gradiente electrico debido al paso de protones desde un lado al otro lado

de la membrana. Los protones que retornan a traves de la membrana dirigen la

reaccion de la ATPasa hacia la sintesis de ATP. La ATPasa esta orientada de for-

ma que los protones tienen acceso a su sitio catalitico solamente desde un lado.

Este concepto se muestra en su forma m a s simplificada en la Figura 2.15.

La segunda explicacion avanzada que explica la sfntesis de ATP supone que

los transportadores de la cadena de transporte de electrones interaccionan con unintermediario(s) hipotetico el cual al ser activado, fosforila el ADP. Estos interme-

diarios se denominan jactores de acopiamiento.

Ambas teorias tienen sus punto fuertes y debiles, Ambas pueden adaptarse pa-

ra explicar los efectos de los «desacopladores» de la fosforilacion oxidativa, tales

como la rotenona, el amital, la antimicina A, etc., los cuales tienen el efecto de

detener la produccion de ATP.




t\J

o J:

t o 0.5 __ ~ __

g d' " ~

ot\J

J:

t\J

o~I'"

J:o«z

+o«z




Exterior Interior

AH2 + B + nH+

Fig. 2.15 Funciones de la membrana en el acoplamiento de la respiraci6n,llevada a cabopor los portadores del transporte de electrones, con la fosforilaci6n (producci6n de ener-gia). EI proceso (i) es una oxido-reduccion con translocacion de protones y transfiere proto-nes at exterior de la membrana; el proceso (ii) utiliza el gradiente de protones que se origina

para dirigir la ATPasa translocadora de protones.

2.6. Produccl6n de energia en sistemas anaerobios

Los procesos de produccion de ATP descritos en la Seccion 2.5 dependen dela provision de oxigeno. Algunos organismos pueden substituir el oxfgeno por ni-

trato, otros por sulfate 0 iones ferricos, y si estos son suministrados en cantid ad

al rnedio, los organismos pueden producir todavfa su ATP en ausencia de aire usando

los transportadores de eJectrones, y creciendo por tanto anaerobicamente, Sin em-

bargo, si no se suministra un aceptor de electrones alternativo, 0 si (como en la

mayoria de las bacterias) el organismo carece de esta facilidad, entonees el orga-

nismo desprovisto de oxigeno sera incapaz de producir ATP de esta forma. Los

organismos que crecen anaerobicamente deb en par tanto llevar a cabo Ja produc-

cion de ATP acopJando directamente Jas reacciones a una reacci6n de producci6n

de energia; a este proceso se denaminaJosforilaci6n a nivel de substrata. EI mime-

ro de reacciones en las que esto puede suceder es muy limitado. EI intercambio

de energia libre de la reaccion debe ser suficiente para originar la fosforilacion de

ATP (ATP - ADP + Pi; AGo 1 de -31 kJ mol- 1) y las reacciones mas impor-

tantes de esta clase estan resumidas en la Tabla 2.2.

De estas seis reacciones, las tres ultimas son solamente importantes en unos

pocos organismos; de las .otras tres reacciones de la Tabla 2.2, las reacciones 1 y

2 requieren intermediarios en la glicolisis (verFig. 2.2). La reaccion 3 que implica

acetilfosfato esta tambien muy extendida entre los anaerobios. El acetil-fosfato se

forma a partir de acetil-CoA por reacci6n con fosfato inorganico y tam bien se ge-nera par accion de las fosfocetolasas (pag. 18).

El acetil-CoA puede producirse par la degradacion de acetoacetil-CoA (pag.

24) 0 a partir de piruvato por una de las tres reacciones mediadas por: la piruvato



QUIMICA DEL CRECIMIENW Y METABOLISMO 33

Q . ..

~ i+ Q . .. +O Q . . . ~ 0

e a . ~ + e a

' " '~+Q...~e

0 0. . .

: s c o ~ : . ( e a . . s8

. . s o~

,, e a +~ ~ ~ + E ! ~ t:i.~

a 1 ' f ' l · l : I s ; +f Co c o S . . . .0

5 , . . . . Q . ..

0 Q . . . ~ ~Q . .. ~a

~ ~ , ': :~ +

'" + .Q....~. g + 0

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- 8 ~ e a 0 0~~ ~ + + ~j :;

.... ::I 0 S

'"

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c o S. . s Co .... '" = = ' 5 +",'0 ~ . . s 0

= '0 o = . " ' "~

. . .:2 '1 3 ; a ~ : = : s . . s o~ ~ . . s tl . ~ = 1 'S

& I'f'l'" - = ;- z~= _ . . . . s ~ ~. . 0

. . s'". s

- 8 0c o S

e a'" '" c o S~c o S

~= =·s c o S c o S c o S



·s c o S c o S c o S


dehidrogenasa (acoplada a NAD +) ver pag, 19; la piruvato-formato liasa (que ca-

taliza la reacci6n piruvato + CoA - acetil-CoA + formato; ver pag, 38); ola

piruvato: ferredoxina oxidorreductasa, que da los mismos productos de reaccion

que la piruvato dehidrogenasa pero requiere en lugar del NAD + como oxidante,

una proteina con azufre y hierro, la ferredoxin a, (la ferredoxina reducida se vuelve

a oxidar a ferredoxina por una hidrogenasa que libera H2). De estas tres enzimas,

las dos ultimas son sensibles a la presencia de oxigeno y pierden actividad rapida-

mente cuando el anaerobio que las contiene es expuesto al aire.

Existe una evidencia creciente de que la fosforilacion a nivel de transporte de

electrones tambien puede ocurrir a traves de la mediacion de la fumarato reducta-

sa, que es probablemente importante en varias bacterias productoras de metano,organismos reductores de sulfato y bacterias del hidrogeno que fermentan H2 y

C02. La reaccion es: Fumarato + 2H - + ADP - Succinato + ATP. Los hidro-genos pueden ser suministrados a partir de una variedad de cofactores, incluyendo

NADH, y en algunos organismos como Escherichia coli su generacion pueden im-

plicar una secuencia de portadores de electrones similar, si no identica, a los com-

ponentes de la cadena de transporte de electrones en organismos aerobicos. Por

tanto aunque el 02 no este implicado, el organismo es capaz de acoplar varias reac-

ciones de forma que se produzca ATP.

Todos los anaerobios se enfrentan a dos problemas. Primero, careciendo de aco-

plamiento de la reoxidacion del NADH (0 del NADPH) a la generacion de ATPa traves de la fosforilacion oxidativa, la produccion de ATP por mol de substrato

es mucho mas pequefta que en el metabolismo aerobico, Segundo, la incapacidad

de acoplar la oxidacion de NADH a la reduccion de oxigeno plantea el problema

de como llevar a cabo esta reaccion esencial, sin la cual el metabolismo se deten-

dria rapidamente cuando todo el NAD + se convirtiera irreversiblemente a NADH.

Los anaerobios han adoptado una v!riedad de formas para llevar a cabo la reo-

xidacion de los cofactores reducidos. Esencialmente cada esquema es de la clase:

AH2 X NAD+ X BH2

A NADH B

Aqui, la etapa AH2 - A es parte de la via por la que el substrato esta siendo

utilizado por el anaerobio. Normalmente la substancia B, requerida para la reduc-

cion compensatoria, derivara tambien directamente del substrato; el BH2 una vez

formado no necesita de un metabolismo posterior. El metabolismo esencial de AH2esta por consiguiente estequiometricamente ligado a la produccion compensatoria

de BH2. Los anaerobios deben por consiguiente acumular metabolitos reducidos

a fin de llevar a cabo la degradacion de cualquier substrato. Ademas, puesto que,

como hemos observado, obtienen relativamente poca produccion de ATP a partir

de ladegradacion de substratos, esta acumulacion de metabolitos reducidos esta

destin ada a ser relativamente grande en relacion a la cantidad de materiales sinte-

tizados. Las form as en las que el metabolismo anaerobio esta organizado para lle-

var a cabo esto se describiran en la seccion siguiente.




2.7 Metabolismo anaerobio

L a eleccion de substrato con el que reoxidar las substancias reductoras como

el NADH, NADPH, FADH2, puede ser muy amplia y originara una variedad muyamplia de productos finales. Una descripcion de las rutas del metabolismo anae-

robio es por consiguiente una descripcion de que productos finales son acumula-

dos por organismos individuales. Algunos de ellos, como el etanol tienen una im-

portancia comercial considerable.

Incluso bajo condiciones anaerobias, el metabolismo de la glucosa producira

piruvato, pero solo una cantidad pequefia de piruvato entrara en el ciclo de los

acidos tricarboxilicos a fin de producir intermediarios para la biosintesis de mate-

rial celular esencial. Las reacciones del ciclo de los acidos tricarboxflicos funcio-naran por tanto solo para proporcionar estos intermediarios y no para generar ener-

gia. Frecuentemente el ciclo no es completamente operativo y en particular la

2-cetoglutarato dehidrogenasa (ver Fig. 2.8) puede no operar. El «ciclo» es por

tanto una «herradura» en la que el oxalacetato es canalizado a succinato y el citra-

to es convertido a 2-oxoglutarato.

2.7.1. Fermentaci6n del etanol

En levaduras, como Saccharomyces cerevisiae el re-oxidante es el acetaldehido;

la mayor parte del piruvato generado a partir de glucosa se convierte en etanol.

2-hidroxietilpiruvato ~ piruvato

pirofosfato

~ acetaldehido ,0,.etanol.

NADH NAD+

Como se producen 2 moles de piruvato a partir de 1mol de glucosa, la produc-

cion de etanol puede reoxidar los dos moles de NADH que se producen en la reac-

cion de la triosa fosfato deshidrogenasa (ver Fig. 2.2) y la estequiometria global

es, por consiguiente:

glucosa + 2ADP + Pi - 2 etanol + 2ATP

L a produccion neta de ATP proporciona energia para que la levadura crezca,pero, como apreciaremos por cornparacion con la Tabla 2.1, la produccion por mol

.deglucosa transformada es menor del 5 0 , 1 0 que la que ocurre en condiciones

aerobicas.

Cualquier glucosa que se metabolice por la ruta de las pentosa fosfato para

producir los azucares esenciales Cs y C4, no puede producir mas que 1mol de pi-

ruvato a partir de cada molecula de glucosa y solamente con la generacion simul-

tanea de 2 moles de NADPH y 1 mol de NADH (ver Fig. 2.4). Estos equivalentes



36 BIOTECNOLOGIA BASICA

reductores adicionales (para cuya re-oxidacion es insuficiente el piruvato que exis-

te) deben ser re-oxidados por acoplamiento a otras reacciones. La principal entre

estas reacciones es la formacion de acidos grasos, que son compuestos quimica-

mente reducidos, cuya sintesis exige un considerable aporte de equivalentes reduc-tores (cf Fig. 2.18).

EI etanol es tambien producido por algunas bacterias (ver Seccion 2.7.5), fre-

cuentemente en conjuncion con otros productos finales, y por algunos hongos, y

generalmente se necesitan condiciones anaerobias para obtener la maxima produc-

cion de alcohol. Si el organismo productor es tambien capaz de crecimiento aero-

bico, como en S. cerevisiae, entonces cuando se introduce oxigeno el alcohol acu-

mulado sera tornado frecuentemente y utilizado por las celulas, por la via del aci-

do acetico, como un substrato para el crecimiento. Una exposicion de la produc-

cion de etanol se trata con detalle en el Capitulo 11.

2.7.2. Fermentaciones del acldo lactico

Las fermentaciones que producen acido lactico son segundas solamente a la

ferrnentacion del alcohol, tanto historicamente como en su importancia para la

industria de alimentacion,

Las bacterias lacticas heterofermentativas producen una variedad de compues-

tos reducidos ademas de lactato, y no tienen la enzima glicolftica clave, la aldolasa(ver Fig. 2.2); en su lugar utilizan la fosfocetolasa (pag. 18) que produce acetil-

fosfato. Bajo condiciones anaerobias este es convertido en etanol, que regenera

NAD + , y en acetato, por una reaccion que puede generar ATP (vease Tabla 2.2).

EI otro producto de la fosfocetolasa es el gliceraldehido-3-fosfato, que se convierte

en piruvato por la secuencia glicolitica normal, y desde este a lactato por la accion

de la deshidrogenasa lactic a:

piruvato + NADH - lactato + NAD +

Esta reaccion es tambien utilizada por las bacterias homolacticas; estos orga-

nismos no poseen fosfocetolasa y consecuentemente ellactato es practicamente el

unico producto final. Algunos lactobacilos producen n-lactato, otros L- y algu-

nos una mezcla de las dos formas debido a diferencias en las distintas lactato

deshidrogenasas.

2.7.3. Fermentaci6n del acido propi6nico

Las Propionibacterias, encontradas por ejemplo en el queso Gruyere, convier-

ten el piruvato a propionato en una serie de reacciones con metil-malonil-CoA co-



BIOQUIMICA DEL CRECIMIEN10 Y METABOLISMO 37

mo intermediario clave (Fig. 2.16). Este es utilizado como la fuente intermedia de

propionato en una reaccion de transcarboxilacion unica:

CO.CO,H CO.C02HI . >--( I . . oxalacetato

piruvato CHJ CHr"C02H

CHrCH-*C02H CHrCH2 .•

metilmalonil-CoA I I propionil-Co/s

CO-S--CoA CO---S-COA

La metilmalonil-CoA se forma por una transcarboxilacion interna a partir de

succinil-CoAy puede asi ser regenerada a partir de oxalacetato (via malato, fuma-rato y succinato) mientras 2 moles de NADH se oxidan a NAD + • En algunas es-

pecies de Clostridium el propionato se produce directamente a partir de piruvato

via lactato y acrilato; de nuevo esta conversion lleva a cabo la re-oxidacion de 2

moles de NADH.

PIRUVATO propionil·CoA ~ (3) /ROPIONATO

~ ~(S)·metilmalonil-CoA oxalacetato succinato succinil·CoA

12N~NAD+

(5) (4)(R)-metilmalonil-CoA ----'--'----'

Fig. 2.16 Reduccion indirecta del piruvato a propionato en las Propionibacterias. Las en-zimas son: (1 ) transcarboxilasa, (2) como en la Fig. 2.8 a traves de malato y fumarato, (3)CoA transferasa, (4) metilmalonil-CoA mutasa, (5) racemasa.

2.7.4. Ferrnentaclon del butanediol

En Aerobacter spp. (ahora Klebsiella), Serratia y algunos Bacillus spp., 2 mo-

lesde piruvato llevan a cabo una condensacion (de nuevo el intermediario reactivo

es hidroxietil-TPP, ver pag, 35) y finalmente producen 2,3 butanediol:

2 piruvato - o-acetolactato + C02- J . ,

acetilmetilcarbinol + CO +

~2,3 butanediol

Solamente la etapa final esta unida a la oxidacion de NADH, de forma que

la produccion de NAD + es s610 0,5 moles por mol de piruvato; estos organismos



3 8 BIOfECNOLOGlA BASICA

tambien convierten piruvato a otros productos incluyendo lactato y formato (vea-

se mas abajo).

2.7.5. Fermentaciones del acido torrnico

En varias enterobacterias, el piruvato se convierte parcialmente a lactato y par-

cialmente a acetil-CoA + formato. Esta ultima reaccion se denomina hidrolisis

fosforocldstica. El formato puede acumularse en pequefias cantidades pero gene-

ralmente es convertido a C02 y H2 por la forrnato-hidrogeno liasa. La «ventaja»

de esta ruta desde piruvato a acetil-CoA es que no produce NADH (comparese

con la piruvato deshidrogenasa) y de esta forma evita la necesidad de una reaccion

de re-oxidacion, El acetil-CoA puede convertirse a acetaldehido por una aldehidodeshidrogenasa:

acetil-CoA + NADH - acetaldehido + NAD +

La reduccion del acetaldehido a etanol puede ocurrir con oxidacion adicional

de NADH. Observese que esta ruta no es la misma que la que existe en levaduras

(Seccion 2.7.1).

2.7.6. Ferrnentacion del acido butfrico

Historicamente la produccion de butanol, acetona y 2-propanol es el mas anti-

guo proceso «deliberado» de fermentacion, es decir que se desarrollo a partir de

principios establecidos usando cepas unicas de organismos conocidos. Esta fami-

lia de productos finales obtenidos a partir del metabolismo de la glucosa se for-

man por miembros de bacterias del grupo de los Clostridium, de acuerdo con el

esquema mostrado en la Figura 2.17.

Existe un conjunto de variaciones: algunos clostridios producen butirato, ace-tato, C02 y H2 mientras que otros producen principalmente acetona mas que

2-propanol. La proporcion de los productos finales varia de acuerdo con las espe-

cies y cepas escogidas y de acuerdo con las condiciones de cultivo.

2.7.7. Otros

Existe un conjunto de productos reducidos adicionales que pueden ser produ-

cidos por los microorganissmos que crecen anaerobicamente, incluyendo azucares-alcohol, acido succinico y trimetil glicerol. El glicerol puede formarse, y de hecho

fue producido comercialmente durante algun tiempo, afiadiendo bisulfito a leva-

duras que crecian anaerobicamente, El bisulfito forma un complejo con el acetal-

dehido, de forma que ya no se produce etanol, y el organismo, buscando una for-

ma alternativa de re-oxidar el NADH, reduce triosa fosfato a glicerol.




<o:::_-----------~ I etanol I

" " " " " " ' - 1 " . 0 0 , 1

~co,

I acetato INADH

acetoacetato ~------- acetoacetil-CoA

2NAD+H -I[>2NAD+

butiril-CoA Ibutirato

2NADH~

2NAD+

butanol

l''ig. 2.17 Productos finales principales (encuadrados) obtenidos a partir de piruvato enespeciesde Clostridium. La enzima (1)es piruvato-ferredoxina oxidorreductasa e hidrogena-

sa; esta ultima tambien interconvierte (NAD + + H2) y NADH. La enzima (2) es tioliasa;otras transferencias de CoA se han omitido. La cantidad relativa de acetona, propanol-2,butirato y butanol varian en diferentes cepas y de acuerdo con el flujo total de NADHI

NAD + • EI etanol y el acetato son normalmente productos minoritarios.

2.S. Biosintesis y crecimiento

La celula microbiana es capaz de reproducirse a partir de los nutrientes mas

sencillos. El mimero de vias metabolicas que una celula debe utilizar para conse-guirlo es enorme: una celula bacteriana probablemente contiene muy por encima

de 1.000enzimas diferentes, y una celula eucariotica puede contener dos veces esa

cantidad. Las macromoleculas celulares de todas clases (proteinas, acidos nuclei-

cos, polisacaridos, etc.) estan construidas a partir de hasta aproximadamente 100

unidades monomericas diferentes. En la Figura 2.18 se presenta una vision general

de las vias de biosintesis de varios monomeros (aminoacidos, purinas, pirimidi-

nas, acidos grasos, azucares, etc.). Las vias de biosintesis, como podemos ver estan

interrelacionadas y todas se basan en el mantenimiento de concentraciones intra-celulares (cpools») de los intermediarios necesarios. Desafortunadamente no es

posible proporcionar aqui ni siquiera una vision particular de todas estas vias; su

estudio es una parte principal de la bioquimica general de la que existen numero-

sos libros de texto. En la medida en que vias particulares sean especialmente rele-

vantes a fermentaciones especificas, seran descritas en los capitulos apropiados del

presente libro.

La celula lleva a cabo todas sus actividades metabolicas de una forma equili-

brada de forma que los productos finales no sean producidos en exceso0en defec-to; cualquier caso seria desventajoso. La celula microbiana debe tambien ser ca-



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40

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BlarECNOLOGIA BASICA

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SC.,C.

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paz de responder a cambios en su ambiente (temperatura, pH, nivel de oxigeno,

etc.)y tambien de tomar ventaja de cualquier cantidad gratuita de (digamos) ami-

noacidos preformados, purinas, pirimidinas que Ie sean ofrecidas. Este es frecuen-

temente el caso en los habitats naturales, y tambien cuando se utiliza como subs-trato para el crecimiento un nutriente complejo (como liquido de maceraci6n de

maiz 0melazas); tales nutrientes contienen una pletora de compuestos carbona-

dos. Es posible por consiguiente para la celula ahorrar ambos, carbona y energia,

deteniendo la sintesis de cualquier material del cual tiene suficiente, y hacer eco-

nomias adicionales bloqueando la sintesis de cualquier enzima superflua. Por eso

hay dos formas distintas - control de la actividad enzimatica, y control de la for-

maci6n del enzima - por las que una celula puede ser capaz de regular la sintesis

de sus distintos componentes. Los mismos mecanismos de control se utilizan tam-bien para equilibrar los procesos sinteticos, incluso cuando no se ofrecen materia-

les gratuitos a la celula. Tales mecanismos de control general se describen en esta

secci6n.

2.8.1. Control del metabolismo

2.8.1.1. Toma de nutrientes

EI control del metabolismo celular comienza con la regulacion por la celula

de la toma de sus nutrientes. La mayor parte de los nutrientes, aparte del oxigeno

y muy pocos compuestos de carbono, son tornados por mecanismos especificos

de transporte de forma que puedan ser concentrados dentro de la celula a partir

de soluciones muy diluidas del exterior. Tales sistemas de transporte «activo» re-

quieren un aporte de energia. Los procesos son controlables de forma que una vez

la cantidad de nutrientes incorporados dentro de la celula ha alcanzado una con-

centracion determinada, la toma innecesaria (e incIuso perjudicial) puede serdetenida.

2.8.1.2. Compartimentalizacion

La segunda forma de control metabolico es mediante el uso de compartimen-

tos u organulos dentro de la celula en los que puedan ser mantenidas concentra-

ciones separadas de metabolitos. Un ejemplo obvio es la mitocondria de la celula

eucariotica que separa (entre otras) las reacciones del cicIo de los acidos tricarbo-

xilicosde las reacciones en el citoplasma. Otra, el peroxisoma, que contiene enzi-mas para la degradacion de los acidos grasos (vease Fig. 2.10), mientras que las

enzimas, en cierto modo similares, que llevan a cabo las reacciones relacionadas

en direccion opuesta, conducentes a la sintesis de acidos grasos, estan localizadas

en el citoplasma. La separaci6n de los dos conjuntos de enzimas impide que cual-

quier intermediario metabolico comun sea recicIado de una forma imitil. Otros

organulos (vacuolas, el nucleo, cloroplastos, etc.) se utilizan analogamente para

controlar otras reacciones de la celula.



42 BlarECNOLOGIA BASICA

2 .B.1.3. Control de la sintesis de enzimas

Muchas enzimas dentro de una celula estan presentes constitutivamente; se en-

cuentran presentes en todas las condiciones de crecimiento. Otras enzimas 8610«apa-

recen» cuando son necesarias; por ejemplo, la isocitrato liasa de la desviacion delglioxalato cuando la celula crece sobre un substrato C2 (vease Fig. 2.9). Esto se

denomina induccion de la sintesis de enzimas. Reciprocamente, las enzimas pue-

den «desaparecer» cuando ya no son necesarias; las enzimas para la sfntesis de

histidina dejan de ser producidas si existe histidina gratuita suficiente para satisfa-

cer las necesidades de la celula. Esto se denomina represion; cuando el abasteci-

miento gratuito del compuesto ha terminado, las enzimas para la sintesis del mate-

rial «reaparecen»; su sintesis es de-reprimida. Para entender como operan estos

controles es necesario resumir el proceso de smtesis de proteinas.

Las proteinas (incluyendo todas las enzimas) se sintetizan por adici6n secuen-cial, aminoacido a aminoacido, mediante un complejo de enzimas y RNA organi-

zados en el ribosoma (vease Fig. 2.19). El c6digo que asegura la secuencia correcta

de aminoacidos esta codificado mediante una cadena de RNA mensajero, que a

su vez es sintetizado por copia de una secci6n de DNA en el cromosoma (genom a)

de la celula; este proceso se lleva a cabo por las RNA polimerasas dependientes

de DNA y se denomina transcripcion. Como es bien conocido, el cromosoma esta

compuesto de la doble helice de DNA que esta form ada por una secuencia precisa

de bases: adenina (A), citosina (C), timina (T) y guanina (G). Las dos cadenas sonmantenidas juntas iinicamente por puentes de hidr6geno entre pares de bases ad-

yacentes (A..X) y (C ..X). Como la A siempre aparea con la T y la C con la G,

una cadena nueva de DNA puede ser fabricada a partir de una sola cadena de la

molecula y es entonces complementaria a la original. De esta forma el DNA puede

replicarse y elmensaje 0codigo genetico ser preservado; esto se mostrara mas tar-

de (Fig. 2.23). El RNA mensajero se fabrica tambien a partir de una de las cadenas

del DNA (Fig. 2.19). Excepto que la base uracilo substituye a la timina, el RNA

complementa la cadena de DNA y contiene similarmente el c6digo genetico en la

secuencia de sus bases. Cada RNA mensajero se fabrica a partir de una pequefiaparte del DNA, aunque se pueden producir muchos mRNA por lectura a 10largo

de la longitud total del DNA. Los RNA mensajeros permanecen monocatenarios.

Los ribosomas se unen al mRNA y, en el ribosoma, se «leer» las bases del RNA

mensajero, es decir, es traducido, tres de cada vez, para codificar un aminoacido

particular. Las tres bases se denominan un codon. Por tanto, por ejemplo, el co-

don UCA codifica especificamente para serina y el codon CAG para glutamina;

de ahi que cuando la secuencia UCACAG se encuentra a 10largo del mRNA uni-

da al ribosoma, este producira seril-glutamina. Cada aminoacido es capaz de «re-conocer» las tres bases del mRNA a las que corresponde por estar unido covalen-

temente a un RNA de transferencia (tRNA) especifico. Los aminoacil-tRNAs son

las unidades activas utilizadas por los ribosomas para producir la cadena peptidi-

ca creciente (vease Fig. 2.19).

Cada molecula individual de mRNA codifica por consiguiente para una pro-

teina y se origina a partir de un gen en el cromosoma (se puede requerir mas de




.»::Transcripci6n desde e/ DNA

tRNA no carqadc>~~ OH

ICO

R3 - - <

NHICO

R 2 - <NH etc.

Fig. 2.19 Modo de accion de los ribosomas en la traduccion, Las moleculas de RNA detransferencia (tRNA) complementarias a los sucesivos tripletes de bases en e 1 RNA mensa-jero, cada una llevando el aminoacido correspondiente, transfieren SUresiduo aminoacil enla secuencia correcta a la cadena peptidica creciente a medida que e 1 ribosoma se muevea 1 0 largo del RNA mensajero.

una proteina para que sean funcionales algunas enzimas, por ejemplo la piruvatodehidrogenasa, pag. 19). Los genes individuales pueden transcribirse much as ve-

ces y puede haber mas de una copia del gen sobre el cromosoma. En cualquiera

de los casos, existe una «amplificacion» de la informaci6n genetica,

La regulaci6n de la smtesis de proteinas a traves de los mecanismos generales

de transcripci6n y traducci6n es extremadamente compleja; difiere, particularmente

en detalles, entre procariotas y eucariotras, y muchos aspectos todavia no han sido

elucidados. Sin embargo, los principios generales de los mecanismos regulatorios

pueden ser ilustrados a partir de los sistemas bacterianos. La maquinaria que pro-

duce copias de mRNA a partir del DNA es controlable en relaci6n a secciones del

cromosoma que codifican proteinas inducibles 0 reprimibles (vease mas arriba).

Tales mecanismos se muestran esquematicamente en la Figura 2.20. Las secciones

de DNA denominadas genes re gu ladore s producen (via el correspondiente mRNA)

un ap ro te fn a re pre so ra regulatoria cuya funci6n es unirse a otro gen, generalmente

adyacente. La uni6n de la proteina a este gen o pera do r impide que ocurra la trasla-

ci6n subsecuente de la secci6n siguiente del DNA, es decir, de uno 0mas.geaes

estructurales que son responsables de la sintesis de mRNA que codifican para pro-



44 BIarECNOLOGIA BASICA

(0)Oper6n

Gen Gen estructural

directa de la proteina

al operador

(b)

pOX

j~

(via Fig. 19) t&:)o-----,..------~~

mRNAs

Enzimas

«Inductor»

-Proteina inductora

incapaz de unirse

al gen operador

Fig. 2.20 Inducci6n. (a) En ausencia del inductor (por ej. lactosa), el producto del genrepresor (I ) se combina con el gen operador (0) y esto impide la transcripci6n de los genesestructurales adyacentes (x, y, z),

(b) Cuando esta presente la substancia inductora, se combina con la proteina represora e

impide que esta se una al gen 0; se produce ahora la transcripci6n de los genes estructuralesa RNAs mensajeros y la traslaci6n de los mRNAs a enzimas y las enzimas formadas que-dan disponibles para el metabolismo del inductor.

Nota. En otros casos la protein a represora se unira solamente al gen operador cuando estepresente una substancia represora; las enzimas se forman solamente cuando se elimina la

substancia represora.

teinas enzimaticas. Si esta presente un inductor, este se une a la proteina regulato-

ria e impide su union al gen operador. El gen operador libre permite entonces la

transcripcion de los genes estructurales y pueden sintetizarse las correspondientes

proteinas. Es asi como se consigue la operatividad de una «nueva» via metabolica.

En tanto que este presente la molecula del inductor, las enzimas continuaran sien-do sintetizadas; si este es eliminado 0consumido (la mayor parte de las veces por

la via metabolica que esta induciendo) entonces las enzimas dejaran de ser

sintetizadas.

Cuando una molecula, frecuentemente el producto final de una via, interaccio-

na con la proteina represora para producir un producto que ahora bloquea el gen




Gen CRP

Genes

p estructurales>

Genes

p'estructurales"

mRNA~j

Protefna

receptora ~----r--. ~de cAMP ( /(50

Inducci6n de la sfntesis

de protefnas cuando el

complejo proteinsCR-cAMP se une al pro-

motor de los genes

cAMP-----'---etc.-

cAMP

Complejo protelna

CR-cAMP

iadenilatO_.L-- Inhibida por

, I ~ glucosa 0 susCIC asa

metabolitos

ATPFig. 2.21 Represi6n catabolica, El mecanismo mostrado es el mediado por AMP ciclicoen E. coli. Uno 0 varios operones (vease Fig. 2.20) estan controlados simultaneamente por

sus requerimientos por el producto del cAMP y por una proteina represora catabolica co-rrespondiente a un gen CRP independiente. El control final en este mecanismo es el efectodel ATP y otros nucle6tidos sobre las actividades de enzimas que producen 0 destruyen lamolecula reguladora cAMP.

operador se produce la represion de la sintesis de enzimas (en vez de la induccion).Si el producto final es eliminado 0consumido, las proteinas represoras no siguen

uniendose al gen operador, tiene lugar la transcripcion de los genes estructurales

y puede reiniciarse la biosintesis de los productos finales.

2.8.1.4. Represion catabolica

Este tipo de control metabolico es una extension de las ideas ya establecidas

con respecto a la induccion y la represion de enzimas, llevada a cabo por los nu-

trientes externos afiadidos al cultivo microbiano. El terrnino represion catabolica

se refiere a varios fenomenos generales que se observan cuando por ejemplo un

microorganismo es capaz de seleccionar el substrato que «prefiere» utilizar entre

dos 0mas fuentes de carbono diferentes que se le presentan. Por ejemplo, un mi-

croorganismo al que se le ofrecen glucosa y lactosa puede «ignorar» la lactosa hasta

que ha consumido toda la glucosa. Similar seleccion puede ocurrir en cuanto a

la eleccion de una fuente de nitrogeno si mas de una esta disponible. La ventaja

para la celula es que puede utilizar el compuesto que implique menos gasto de

energia.

Los mecanismos detallados de represion catabolica pueden variar de organis-

mo a organismo. La secuencia de acontecimientos mostrada en la Figura 2.21 se

refiereal proceso tal y como se conoce en la bacteria E. coli. L a clave en la secuen-

cia estriba en el compuesto AMP ciclico (cAMP; su grupo fosfato esta unido a

ambos grupos hidroxilo, el 3' y el 5' , de la mitad de ribosa, formando un fosfo-

diester (vease la Fig. 2.1). El cAMP, que se forma a partir de ATP por la adenilato

ciclasa, interacciona con una proteina receptora especifica (CRP = proteina re-




Aj r : menos act Iva } 0

Catalizado por la enzima x ~ J ICatalizada por la enzima Y

B

liImas act iva } •

ta Activldad ~odUlada por rnetabolitos de B

\ I

'- /

,------------- ------ ---- ---_-------- --//

Fig. 2.22 Control de enzimas por un mecanismo en cascada. Los metabolitos derivadosde B afectan (positiva 0 negativamente) la actividad de la enzima Y, que interconvierte su-bunidades mas activas y menos activas de la enzima X, que cataliza la formaci6n de B a

partir de A.

ceptora de cAMP) que estimula positivamente la transcripcion de un operon (cf

Fig. 2.20).

EI control del nivel intracelular de cAMP es crucial en este mecanismo y se

consigue regulando las actividades relativas de la adenilato ciclasa y de la fosfo-

diesterasa que convierte cAMP a AMP. Los niveles de cAMP estan intfmamente

relacionados a la «carga energetica» que se discute en la Seccion 2.2. Varios meta-

bolitos de glucosa parecen ser potentes inhibidores de la actividad adenilato cicla-

sa (vease seccion 2.8.1.5b), y en tanto en cuanto se encuentren presentes en la celu-

la (indicando la continua disponibilidad de glucosa) no seran transcritos varios

operones bajo el control del complejo cAMP-CRP. Los efectos de la represion ca-tabolica son tambien importantes en el control del patron de procesos anabolicos,

particularmente en el fenomeno de la «biosfntesis secundaria»,

2.8.1.5. Modificacion de la actividad enzimdtica

Una vez una enzima ha sido sintetizada, su actividad puede ser modulada de

una serie de formas.

(a) Modificaciones post-transcripcionales. Algunas enzimas pueden existir en

una forma activa y en una forma menos activa, las cuales pueden ser interconverti-das por la union covalente de algunos grupos especificos (frecuentemente fosfato,

a veces AMP 0 UMP). La union es mediada por una enzima independiente, que

no tiene ninguna otra funci6n, cuya actividad a su vez es regulada por la presencia

de distintos metabolitos (vease la seccion siguiente). Por consiguiente la reaccion

catalizada por la primera enzima puede ser moderada por el estado metabolico

que prevalezca en la celula (vease Fig. 2.22). Ejemplos de tales procesos son la glu-

tamina sintetasa en E. coli (es extremadamente importante para la celula regular

finalmente el nivel intracelular de los intermediarios metabolicos clave glutamato

y glutamina, que son respectivamente substrato y producto de la enzima) y la gli-cogeno fosforilasa del hongo Neurospora crassa.

(b) Acci6n de los efectores. La actividad de las enzimas es muy frecuentemente

disminuida por un aumento de los productos de la reacci6n que estan catalizando.

El compuesto se dice entonces que es un inhibidor 0 un ejector negativo de la en-

zima. Este es un mecanismo sencillo de entender: los productos de la reaccion blo-



BIOQUIMICA DEL CRECIMIENro Y METABOLISMO 47

quean el acceso del subtrato al sitio activo de la enzima, en el que ambos son capa-

ces de «encajar», Sin embargo, much as enzimas, particularmente las del comienzo

de una via, son similarmente sensibles a la presencia de compuestos no relaciona-

dos quimicamente a la reacci6n que estan catalizando. EI efecto mas cormin se co-noce como retro-inhibicion, en el que el producto final de una via aetna como un

efector negativo sobre la actividad de una enzima temprana de esa via:

A_B_C_D_E~ 1

1--- 1

EI efecto de esta inhibici6n es para asegurar que una vez el producto final ha

sido producido en cantidad suficiente, no seran canalizadas a traves de la via mas

unidades de carbono; el producto que no se necesita no se produce. Lo mismo ocu-

rrira si el producto final esta presente en el medio de crecimiento que es tornado

por las celulas (ver Secci6n 2.8.1.1). La retro-inhibici6n frecuentemente es paralela

ala represi6n de la sintesis de enzimas (vease anteriormente), que tambien se lleva

a cabo por la presencia de un exceso de producto final; se puede pensar de ello

como de un control fino conseguido rapidamente y facilmente reversible, mientras

que la represi6n de las enzimas proporciona un control basto que requiere mas tiem-

po para llevarse a cabo.EI mecanismo general de retro-inhibici6n esta basado en la uni6n de una mole-

cula efectora a la enzima en un sitio que es diferente del sitio activo; el efector

modi fica la conformaci6n (forma) de la proteina, que ya no es tan efectiva como

catalizador para la reacci6n de su substrato. ThIes enzimas se dice que estan con-

troladas alostericamente. Se pueden encontrar ejemplos en la mayor parte de las

vias del metabolismo que conducen a la biosintesis de aminoacidos, purinas, piri-

midinas y otros mon6meros (vease Fig. 2.17).

EI proceso se vuelve mas complicado cuando existen mas de un producto deri-vado a partir de ramificaciones de una via comun:

F

c D~E~

u b ~A_B_C h . G

i J

H_I~J

En este caso es importante que si uno de los tres productos finales, F, G 0 J

alcanza su nivel intracelular 6ptimo, actue para impedir que se produzca mas de

si mismo, pero a la vez no inhiba la sintesis de los otros dos productos finales.

Por tanto en el diagrama indicado arriba, asumiendo que los tres productos fina-

les sean requeridos en iguales cantidades, el producto F se espera que inhiba la

reacci6n «f» completamente, la reacci6n «c» en un 50 0 7 0 y la reacci6n «a» en un

30 0 J 0 . Por tanto empezando a partir de A, primero B y luego C deberan formarse



48 BlafECNOLOGIA BASICA

ados tercios de su velocidad normal; C en lugar de producir dos veces mas D que

H, deb era ahora producir iguales cantidades de estos dos compuestos; todo D de-

bera ahora ir a G y H ira a J como antes.

La forma en la cual se lleva a cabo esta inhibicion parcial de la actividad de

las enzimas varia de via a via y de organismo a organismo. Un metodo corminde los organismos es utilizar isoenzimas. Es decir, para la reaccion «a» de arriba

existiran tres enzimas distintas e independientes cada una catalizando la reaccion

con igual eficiencia. Sin embargo, una isoenzima sera sensible a retroinhibicion

por F, la segunda por G y la tercera por H. De esta forma solo una isoenzima sera

inhibida si un producto final alcanza su concentracion intracelular optima. La reac-

cion «c» puede similarmente esperarse que sea catalizada por dos isoenzimas: una

sensible a retroinhibicion por F y la otra por G.

Existen ejemplos de este tipo de control en la biosfntesis de los tres aminoaci-

dos aromaticos, fenilalanina, tirosina y tript6fano, y en la biosintesis de treonina,

metionina y lisina (vease Fig. 2.18).

Los efectos de retroregulacion estan tam bien implicados en la regulacion de

los procesos de transporte (vease Seccion 2.8.1.1). Sin embargo, puede no ser bas-

tante seguro extender el concepto a situaciones en las que metabolitos como el ATP,

ADP, AMP, NAD(P) + 0NAD(P)H actuen sobre una enzima particular como efec-

to res positivos 0 negativos. Por ejemplo, varias enzimas de la via de los acidos tri-

carboxilicos (vease Fig. 2.8), particularmente la citrato sintasa son inhibidas por

ATP y como el ATP es el «producto final» de la fosforilacion oxidativa que esta

acoplada a la reaccion del ciclo podrfa considerarse como una forma mas indirec-

ta de retroinhibicion, Independientemente de la semantica, este tipo de control por

form as diferentes de cofactores generales esta bastante extendida entre las enzimas

de las vias centrales del metabolismo.

2.8.1.6. Degradacion de enzimas

Las enzimas no son moleculas particularmente est ables y pueden ser rapida e

irreversiblemente destruidas. Su vida media normal es muy variable; puede ser tan

corta como unos pocos minutos 0 tan larga como varios dias, Aunque la sintesis

de las enzimas puede ser regulada a nivel genetico (vease la Seccion 2.8.1.3), una

vez una enzima ha sido sintetizada puede perrnanecer funcional durante algun tiem-

po. Si las condiciones ambientales cambian bruscamente, puede no ser suficiente

que la sintesis de la enzima sea detenida, es decir reprimida; las celulas pueden

necesitar inactivar el enzima a fin de evitar actividades metabolic as innecesarias

e incluso tal vez perjudiciales. Se conocen varios ejemplos en los que enzimas pro-

teoliticas especificas, adecuadamente activadas destruyen una enzima particular.

La activacion se dispara probablemente por la presencia (0 ausencia) de un meta-

bolito clave.




2.8.2. Coordinaci6n del metabolismo y del crecimiento

Hemos considerado ya c6mo las celulas son capaces de controlar la biosintesis

de susmuchos constituyentes de forma que se sintetize siempre la cantidad correc-ta de monomero, asi como el mimero apropiado de diferentes moleculas enzimati-

cas. Estos mecanismos de control son respuestas al ambiente extemo de la celula,

La celula siempre intenta optimizar su bioquimica intema a fin de conseguir la

utilizacion mas eficiente de los compuestos de carbono y nitr6geno ya preforma-

dos, maximizando la energia producida, minimizando el gasto energetico y ere-

ciendo tan rapidamente como sea capaz.

Bajo condiciones ambientales limitantes, por ejemplo en ausencia de fuentes

de nitrogeno, los organismos pueden no ser capaces de reproducirse. En tales con-

diciones,los productos finales (algunos de los cuales pueden ser muy deseados por

los biotecnologos) se acumularan a medida de que el organismo continue metabo-

lizando el carbona disponible. La maquinaria biosintetica de un organismo debe

funcionar, y 10 hace, en todo momenta; la iinica vez en que las reacciones de una

celulas consiguen el equilibrio es cuando esta muerta.

Es esencial por consiguiente para el organismo mantener su bioquimica celular

funcionando y esto puede conseguirlo por una variedad de mecanismos que de-

pendende las condiciones existentes: derreprlrniendo nuevas enzimas anab6licas pue-

de canalizar el subtrato carbonado hacia cualquiera de una serle de metabolitos

«secundarios»; puede producir grandes cantidades de compuestos de almacena-

miento,como poli-d-hidroxibutirato, lipidos, glic6geno y otros polisacaridos, Puede

degradar estos materiales de almacenamiento si se la coloca en situaciones de pri-

vacion, en las que no se le suministre ala celulas ningun carbona exterior. Lo que

seaproducido es probablemente menos importante que el que la celula mantenga

sus vias metabolicas operativas.

Bajo condiciones «normales», dado un suministro de todos los nutrientes esen-

ciales, el organismo crece. En cultivos discontinuos, las celulas se multiplican enun sistema cerrado (no hay adiciones 0 subtracciones del fermentador una vei ha

sido inoculado) hasta que se consuma algun nutriente, 0algunos de los productos

acumulados inhiban el crecimiento posterior, 0 el numero de celulas alcance tal

nivelque no exista mas espacio disponible para que 10 ocupen nuevas celulas. Du-

rante el crecimiento de las celulas, los distintos componentes celulares se alteran

en cantidades relativas (Fig. 2.23) y las celulas cambian incluso de tamafto como

en la elongaci6n anterior a la divisi6n celular. Durante el periodo inicial de creci-

miento exponencial, cuando las celulas estan creciendo a la maxima velocidad, elcontenido en RNA de las celulas aumenta rapidamente debido a que sintetizan

masproteinas en sus ribosomas (vease Fig. 2.19). El contenido de DNA puede des-

cender,como se indica en la Figura 2.23, aunque la extensi6n de esta caida depen-

derade la velocidad a la que la celula sea capaz de replicar su DNA (vease secci6n

2.8.3).

.La velocidad a la que un organismo puede crecer se expresa 0como el tiempo

deduplicaci6n (td), por ejemplo el tiempo que le lleva a una celula convertirse en

dos,0como la velocidad especifica de crecimiento (I-') que es la velocidad de sinte-



50 BlarECNOLOGIA BASICA

sis de nuevo material celular expresada por unidad de peso del material celular

existente. Estos dos valores estan relacionados por las ecuaciones:

1 dx d(1nx) in 2J.L-_._=--=-

- x dt dt td

(en las que x = concentracion de celulas, t = tiempo), de donde p - = 0,691td

En cultivos en masa el valor de p - varia hasta el final debido ala concentracion

continuamente decreciente de nutrientes; en much as situaciones practicas con or-

ganismos aerobicos la velocidad de suministro de oxigeno gobierna en ultimo ter-

mino la velocidad de su crecimiento. Solamente en cultivos continuos puede la ve-

locidad especifica de crecimiento mantenerse constante mediante la introduccion

continua de nutrientes frescos (y un suministro asegurado de oxigeno). Lo que go-

bierna la velocidad maxima de crecimiento que puede conseguir un microorganis-

Peso

20celular

Nurnero de celulas/ml

Peso seco/ml

e n

13~ 10

~ e n£i

'"ii~n

' "_ : . . 0

-0 o ~

'" 5 e n ' "-0' " e nc Cl.",

2- seco ",-0-0'"

r-. -0

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2 :22-E Coe n ::0 e n

'"~ 2 l _

-s:a; a:'"-0

~~ 2 ~ -g-00 2:20" "'cm e n 0::0

EO 04:

~ &enZ

~O

RNAIunidad

de peso

Tiempo

Fig. 2.23 Representacion ideal de los eambios en tamafio eelular (peso eelular), numerode celulas, peso seeo total y cornposicion quimica durante el erecimiento de las baeterias

en cultivos en diseontinuos. Observese que la eseala de la izquierda es logaritmica.




mo varia probablemente de organismo a organismo y es bastante poco conocido

para la mayor parte de ellos. Puede ser la velocidad a la que el DNA pueda ser

sintetizado 0 la velocidad a la que un nutriente determinado pueda ser tornado

por la celula, 0 la velocidad a la que algunas partes de la eelula, como las paredescelulares puedan formarse. Los tiempos de duplicacion pueden variar desde apro-

ximadamente 10minutos en Benekea natriegens hasta varias horas en las levadu-

ras y hongos. L a mayor parte de las bacterias tienen tiempos de duplicacion de

30minutos 0mas y algunas tienen tiempos de duplicacion que se extienden hasta

varios dias, Se muestran ejemplos en la Tabla 2.3.

2.8.3 .. EI ciclo celular y la replicaclon del DNA

Los procesos de division celular son diferentes en eucariotas y procariotas, aun-

que ambos utilicen mecanismos esencialmente similares para controlar la expre-

sion de los genes y para regular las actividades de los productos genicos (proteinas

enzimaticas), En una bacteria creciendo rapidamente, la sintesis de DNA tiene lu-

gar mas 0 menos continuamente, pero en una celula eucariotica forma parte del

ciclo celular. El genoma bacteriano esta constituido por dos cadenas de DNA en

la conforrnacion de doble helice, unidas cabeza con cola, para formar un cromo-

soma circular. La celula eucariotica contiene varios cromosomas fisicamente sepa-rados.

En los eucariotas el ciclo celular se divide en etapas, cada una de duracion va-

riable dependiendo de las condiciones de crecimiento. El ciclo culmina con la re-

plicacion de todos los cromosomas que entonces se dividen entre celula madre y

celula hija por un proceso conocido como mitosis. El proceso se vuelve mas com-

plejo a medida que se asciende a traves del reino microbiano cuando se produce

la reproduccion sexual, mas que la simple division bin aria de las bacterias 0 de

las levaduras en gemacion. El proceso de division cromosomal ocurre entonces pormeiosis en la que los cromosomas son distribuidos, despues de la replicacion del

DNA, a las celulas germinales.

Tabla 2.3 Velocidades de crecimiento de varios microorganismos en condiciones

optimas

Microorganismo

Velocidad maximaespecifica de ere-

cimiento I L m (h - 1 )

Tiempo deduplicacion

(= 0.693/ J L m ).2.10.450.400.170.280.350.280.08

0.331.5

1.74.02.52.02.58.5

Escherichia coliSaccharomyces cerevisiaeCandida utilisSchizosaccharomyces pombePenicillium chrysogenumGeotrichum lactisFusarium graminearumChlorella pyrenoidosa




En todos los microorganismos el DNA probablemente se replica por mecanis-

mos similares. La doble cadena del DNA se desenrolla formando cada cadena una

nueva cadena complementaria a si misma. Esto se muestra en la Fig. 2.24. Cada

horquilla de replicaci6n opera bidireccionalmente, es decir, el desenrollamiento y

la sintesis de la cadena complementaria del DNA ocurre en ambos extremos de

la separaci6n.En las bacterias existe mas de una horquilla de replicaci6n funcionando en un

momento determinado de forma que el genoma puede reproducirse con gran rapi-

dez. Esto sucede cuando el tiempo para la replicaci6n completa es mas largo que

el tiempo de la divisi6n celular, y en estas condiciones cada celula contendra mas

de una copia de las partes del cromosoma que se replican. Sin embargo, la divisi6n

celular esta sincronizada hasta la replicaci6n completa de los cromosomas, de for-

ma que cada celula hija reciba su DNA antes de que se forme el septo de divisi6n.

Aparentemente se sintetiza una «protefna de terminacion» cuando se completa la

replicaci6n del DNA y es esta proteina la que dispara la formaci6n del septo y la

divisi6n celular.

La duplicaci6n celular en celulas eucari6ticas est a complicada por el requeri-

miento de que los organulos tambien se dividan durante el curso del ciclo celular.

Las mitocondrias y los cloroplastos (el aparato fotosintetico de los microorganis-

mos fotosinteticos y de las plantas) tienen su propio DNA y se dividen indepen-

dientemente del nucleo celular. De esta forma el numero de mitocondrias y de clo-

roplastos puede cambiar de acuerdo con las condiciones ambientales. Por ejem-

plo, una levadura creciendo en condiciones anaerobias no depende de sus mito-condrias para la provisi6n de ATP (vease las secciones 2.5 y 2.6) y el numero de

mitocondrias es minimo.

5'

polimerasa

3'

Fig. 2.24_ Replicacion del DNA. En las dos cadenas complementarias del DNA el esquele-to 3' -fosfo, 5' -desoxirribotil se encuentra en direcciones opuestas. En la replicaci6n, las ca-

denas complementarias se separan primero (desenrollamiento) de forma que los desoxiri-bonucleotidos adicionales pueden complementar las bases en cada cadena. Sobre una cade-na la DNA polimerasa actua directamente formando el DNA, pero en la otra cadena debeactuar formando secciones cortas «reversas». El conjunto completo de operaciones consti-tuye una «horquilla de replicacion». En la replicaci6n del cromosoma circular de las bacte-rias, se inician pares de dichas horquillas que se mueven en direcciones opuestas a 10largo

del cromosoma.




Aunque la informacion genetica codificada por el DNA se produce con exacti-

tud de forma que cada celulas hija reciba el mismo programa cromosomal que

sus padres, pueden suceder errores. Tales errores conducen a la formacion de un

mutante. Los mutantes se producen espontaneamente, generalmente a frecuencia

muy baja (aproximadamente 1 en cada 108_1010divisiones celulares), 0 pueden serinducidos mediante la exposicion de los organismos a algunos de los agentes que

danan el DNA (mutagenos), Mutantes que tienen capacidades enzimaticas altera-

das pueden ser considerablemente beneficiosos para aumentar la productividad de

un proceso de ferrnentacion. Sin embargo, conseguir el mutante que se desea entre

los muchos miles de mutantes no deseados puede ser un proceso muy largo, que

se discutira en el Capitulo 8. En la inmensa mayoria de los casos, los mutantes

tienen la capacidad de llevar a cabo alguna actividad; en muchos casos seran leta-

les y la celula sera incapaz de crecer. En general muy pocos mutantes sobreviviranpero debido a que un gran numero de microorganismos son manejados en cada

experimentouna supervivencia del 0,001 % puede todavia representar mas de 10.000

organismos.

2.8.4. Eficiencia del crecimiento microbiano

La eficiencia global del crecimiento microbiano se discute en terrninos estric-

tos de termodinamica enel Capitulo 3 (pag. 57). Empiricamente, se expresa gene-

ralmente en terminos de produccion de celulas formadas a partir de la unidad de

peso de substrato carbonado consumido. La produccion molar de crecimiento Ys

esla produccion de celulas (peso seco) por mol de substrato, mientras que el coefi-

cientede conversion carbon ada que permite comparaciones mas significativas en-

tre substratos de diferentes tamafios moleculares es la produccion de celulas por

gramo de substrato carbonado. En la Tabla 2.4 se recogen algunos valores tipicos

para ambas expresiones; todos son valores maximos ya que bajo ciertas condicio-

nes (en particular a bajar velocidades de crecimiento, vease Capitulo 3, pag, 67)el uso de substratos para el crecimiento celular se hace menos que completamente

eficiente.Una caracteristica particular en la Thbla 2.4, que puede ser facilmente entendi-

da por referencia a discusiones previas, es el rendimiento mas bajo que se obtiene

cuando se transfieren organismos facultativos desde condiciones aerobicas a anae-

robicas, un fenomeno que esta obviamente conectado con el flujo energetico redu-

cido, y la menor produccion de ATP, de los procesos anaerobicos.

Empiricamente, el rendimiento real dependera de muchos factores:(1) la naturaleza de la fuente de carbono.

(2) la via de catabolismo del substrato.

(3) cualquier provision de substratos complejos (que haga innecesaria alguna

via anabolica),

(4) los requerimientos energeticos para la asimilacion de otros nutrientes, es-

pecialmente nitrogeno (menos si se suministran aminoacidos que si se utili-

za NH3 y considerablemente mas si la fuente de nitrogeno es el ion nitrato).




(5) las eficiencias variables de las reacciones de generacion de ATP.

(6) las substancias inhibitorias, el balance ionico adverso, u otros componen-

tes que impongan demandas adicionales sobre los sistemas de transporte.

(7) el estado fisiologico del organismo; casi todos los microorganismos modi-

fican su desarrollo, frecuentemente muy considerablemente, de acuerdo con

el ambiente externo (por ej., en la forrnacion de esporas), y los diferentes

procesos de desarrollo ocasionaran diferentes balances de masa y energia.

En sistemas de cultivo continuo en los que la velocidad de crecimiento y el es-

tado nutricional de las celulas estan controlados (vease Capitulo 4, pag, 106) se

pueden identificar mas factores.

(8) la naturaleza del substrato limitante; el crecimiento limitado por carbona

es frecuentemente mas «eficiente» que por ejemplo el crecimiento limitadopor nitr6geno en el que el exceso de substrato carbonado puede seguir ru-

tas que son energeticamente ruinosas (!aunque utiles a los biotecn6logos!).

Tabla 2.4 Eficiencias de crecimiento de microorganismos creciendo sobre diferen-tes substratos

Producci6n mo- Coeficiente delar de crecimiento

conversi6n de car-(g de peso seco bono (g de pesodel organismo I seco de organismopor gramo-mol por g de substrato

Substrato Organismo de substrato) carbonado)

Metano Methylomonasmethanooxidans 17.5 1.46

Metanol Methylomonasmethanolica 16.6 1.38

Etanol Candida utilis 3l.2 1.30

Glicerol Klebsiella pheumoniae(Aerobacter aerogenes) 50.4 1.40

Glucosa Escherichia coli:

aer6bico 95.0 1.32

anaer6bico 25.8 0.36

Saccharomyces cerevisiae:

aer6bico 90 l.25

anaer6bico 21 0.29

Penicillium chrysogenum 81 1.13

Sacarosa Klebsiella pneumoniae(A. aerogenes) 173 l.20

Xilosa Klebsiella pneumoniae(A. aerogenes) 52.2 0.87

Acido acetico Pseudomonas sp. 23.5 0.98

Candida uti/is 2l.6 0.90

Hexadecano Sacchuromycopsis(Candida) lipolytica 203 l.06

Acinetobacter sp. 251 1.31



BIOQUIMICA DEL CRECIMIENTO Y METABOLISMO 5 5

(9) la velocidad de crecimiento permitida; el significado del efecto del mante-

nimiento a baja velocidad de crecimiento se discute en el Capitulo 4, pag. 94).

Como factor final que gobierna todos los aspectos de las actuaciones micro-bianas uno puede afiadir.

(10) «las tendencias de los microorganismos y la competencia de los micro-

biologos».

Lecturas recomendadas

Anthony, C. (1982). 'The Biochemistry of Methylotrophs'. Academic Press: Lon-

don, and New York.Dawes, I.W. and Sutherland, I.W. (1976). 'Microbial Physiology', Vol. 4, BasicMicrobiology. Blackwell Scientific Publications: Oxford.

Edwards, E. (1981). 'The Microbial Cell Cycle', Aspects of Microbiology. Nelson/Van Nostrand Reinhold (UK) Co. Ltd: Wokingham.

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Gottschalk, G. (1979). 'Bacterial Metabolism'. Springer-Verlag: New York, Heidel-berg and Berlin.

Linton, J. D. and Stephenson, R. J. (1978). A preliminary study on growth yieldsin relation to the carbon and energy content of various organic growth substrates.FEMS Microbial. Lett. 3,95-98.

Mandelstam, J. and McQuillen, K. (Eds) (1982). 'Biochemistry of BacterialGrowth', 3rd Edn. Blackwell Scientific Publications: Oxford.

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Neijssel, O. M. and Tempest, D. W. (1979). The physiology of metabolite over-production. Symp. Soc. Gen. Microbial. 29,53-82.

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Strathern, J. N., Jones, E. W. and Broach, J. R. (Eds) (1982). 'The MolecularBiology of the Yeast Saccharomyces: Metabolism and Gene Expression'. ColdSpring Harbor Laboratory Monograph Series 11B.

(2)bioquimica del crecimiento y metabolismo (parte 1)

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