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Metabolismo II- (vias glicolticas)
1-Un investigador aisl una bacteria mutante que tiene bloqueada la gliclisis entre la formacin de
acetaldehdo y etanol. Esta mutante no es capaz de crecer en condiciones de anaerobiosis en glucosa
pero s es capaz de crecer en presencia de O2. Mencione una posible explicacin bioqumica para
esta observacin.
2- Parte A.- Se obtiene un microorganismo que produce CO2, etanol, y los cidos actico y lctico
como productos finales de la fermentacin. El mismo fue inoculado en un medio de alta (medio A)
o baja (medio B) concentracin de glucosa. Luego de 72 hs de incubacin, se cuantificaron los
productos finales de la fermentacin en el medio de cultivo. Se obtuvieron los siguientes resultados:
Medio A Medio B
CO2 2 50
Lctico 50 15
Actico 3 60
Etanol 2 40Los datos estn expresados como moles por mol de glucosa
a) Explique cul sera la causa y el significado fisiolgico de este cambio en el perfil de
fermentacin.
Parte B.- Se sabe que la enzima clave en ese cambio metablico es la piruvato formato liasa (PFL).
Un cultivo creciendo en alta glucosa se centrifug y las clulas se resuspendieron en medio con baja
glucosa. A distintos tiempos desde el cambio se midi la densidad ptica y la actividad PFL (Fig 1)
Para analizar el mecanismo que media la activacin de PFL se realiz un experimento de Western
blot utilizando anticuerpos especficos de PFL (Fig. 2). Se realiz tambin un experimento de
Northern blot con una sonda especfica de PFL (Fig. 3)
Fig.2. Western blot con anticuerpos
anti-PFL. A distintos tiempos despus
del cambio se tomaron clulas y se
prepararon extractos totales en buffer de
muestra. En cada calle se sembr igual
cantidad de protena.
Fig.3. Northern blot con sonda
especfica de PFL. A distintos tiempos
despus del cambio se tomaron clulas y
se prepar RNA total. En cada calle se
sembr igual cantidad de RNA
t(min) 0 15 30 60 0 15 30 60
Fig.1 Actividad PFL en condiciones de
alta o baja glucosa.Un cultivo creciendo
en alta glucosa fue transferido a bajaglucosa en el momento indicado por la
flecha. Se midi la densidad celular como
densidad ptica a 600 nm ( ) y la
actividad PFL como unidades de enzima
por clula (-----).
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b) Describa e interprete las figuras 1, 2 y 3.
c)Considerando que la velocidad de sntesis de la protena PFL est directamente relacionado con el
nivel de mRNA especfico, proponga un modelo de regulacin que explique los cambios observados
durante la transicin de alta a baja glucosa. Imagine el mecanismo que media esos cambios.
3- Se realizaron cultivos en condiciones aerbicas y anaerbicas utilizando las siguientes cepas deEcoli: wt, trasportadores de glucosa y formato-hidrogeno liasa (enzima que cataliza la oxidacin
del cido frmico a CO2). Se utiliz un medio base con glucosa como nica fuente de carbono y
rojo de metilo (indicador de pH que vira al azul en condiciones alcalinas y amarillo en condiciones
acidas). Adems, en condiciones anaerbicas se agregaron campanas de Durham. Indique los
resultados esperados a las 48 hs de incubacin y justifique metablicamente los mismos. Si uds no
supiera en que tubo esta cada cepa, podra diferenciar las mismas por los resultados?
4- Las bacterias lcticas se dividen en dos grupos, homofermentativas y heterofermentativas. La
enzima clave de las primeras es la aldolasa, que cliva la fructosa 1,6 bifosfato en dos molculas de
3 carbonos. El gliceraldehdo 3 fosfato es luego convertido a piruvato y finalmente a lactato. Elsegundo grupo, en cambio, carece de la enzima aldolasa y para fermentar las hexosas debe oxidarlas
a 6-fosfogluconato y luego decarboxilar ste para generar una pentosa fosfato, La pentosa-fosfato es
clivada luego por la enzima clave fosfocetolasa a triosa-fosfato (que conduce a piruvato como en el
grupo de las homofermentativas) y acetil-fosfato, que es luego reducido a etanol para alcanzar el
balance redox y utilizar los electrones del NADH que se gener durante la formacin de la pentosa-
6-P.
a)Compare las dos rutas en cuanto a rendimiento energtico (moles de ATP por mol de glucosa).
b)Si Ud tiene dos baterias lcticas que pertenecen a distinto grupo, y las pone a crecer sin agitacin
en medio que contiene glucosa como nica fuente de carbono, puede distinguir cul es cul?
Cmo?
5- Streptococcus bovis es un microorganismo capaz de vivir a expensas de la fermentacin de la
glucosa en medios de cultivos con un rango de pH que oscila entre 6,5 y 5 utilizando diferentes vas
fermentativas. Para entender el mecanismo de obtencin de energa para su crecimiento, se
estudiaron dos enzimas principales en las rutas fermentativas y la influencia del pH externo sobre el
pH interno de este microorganismo. Se realizaron diferentes ensayos para la medicin del pH
interno de S. bovis cultivando en un medio ajustado a diferentes pH. Se utiliz un marcador
fluorescente para determinar en cada cultivo el pH interno de S. bovis. Con los resultados obtenidos
se realiz el siguiente grfico (fig. 1).
Fig 1. Relacin entre el pH interno bacteriano
en relacin al pH del medio de cultivoSe creci S. bovis en medio 98-5 ajustado a pH: 5,0; 5,5;
6,0 y 6,5. Se incubaron durante 12 hs a 39C y luego se
agreg BCCP (indicador de pH interno).Se incubaron
durante 1 h y posteriormente se cosecharon y lavaron las
clulas con solucin salina. Se realizaron espectros de
absorbancia para determinar el valor del pH interno.4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
pH externo
pHinterno
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A continuacin se estudi el comportamiento de las enzimas lactato deshidrogenasa (LDH) y
piruvato formato liasa (PFL) purificadas -intervenientes en la fermentacin de la glucosa- en un
rango de pH que vara entre 5 y 8.5, obtenindose los siguientes resultados (fig. 2):
Fig 2:Actividad de lactato deshidrogenasa y piruvato formato liasa purificadas de extractos
de S. bovis.Las enzimas fueron purificadas de cultivos de S. bovisrealizados a pH 7,0 y ensayadas sus actividades con protocolos
estndar. La actividad de cada una fue analizada a los pH indicados en las grficas.
Para completar el estudio sobre la fermentacin de la glucosa por esta bacteria, se analiz la
actividad de ambas enzimas -LDH y PFL- en presencia de diferentes metabolitos de la gluclisis.
Solo se encontr efecto cuando al medio de incubacin se le agreg fructosa 1,6 difosfato (FDF).
Debido a esto, se analizaron las actividades enzimticas en estudio en un rango fisiolgico de FDF
(0 y 1 mM). La actividad se midi a dos pH: 6 y 7. Los resultados obtenidos se presentan en los
siguientes grficos (fig. 3).
Fig 3: Efecto de la fructosa 1, 6 difosfato sobre las actividades LDH yPFL.La actividad de los controles se midi en ausencia de FDF en cada pH indicado. La actividad en los grficos est
representada como porcentajes por mayores al control.
Indique:
a)En qu rutas fermentativas intervienen las enzimas estudiadas?
b)El pH del medio de cultivo afecta a este microorganismo? De qu manera?
c)Qu productos finales de la fermentacin espera encontrar en cultivos crecidos a pH 6,5? Y a
5,5? Justifique.
d)Cual es el efecto de la FDF?
Realice un esquema representando la fermentacin de la glucosa por S. bovise incorporando los
conocimientos adquiridos en los diferentes experimentos (fig 1, 2 y 3).
Actividad Lactato Deshidrogenasa
4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.50
20
40
60
80
100
120
pH
Actividadrelativa(%)
Actividad Piruvato Formato Liasa
4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.50
20
40
60
80
100
120
pH
Actividadrelativa(%)
Actividad LDH en presencia deFructosa 1,6 di fosfato
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20
20
40
60
80
100
120pH 7
pH 6
Fructosa 1,2 di fosfato (mM)
Actividadrelativa(%)
Actividad Piruvato Formato Liasa enpresencia de FDF
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20
20
40
60
80
100
120pH 7
Fructosa 1,6 difosfato (mM)
Actividadrelativa(%)
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6.-Clostridium acetobutylicumes un microorganismo que se utiliza para la produccin industrial de
butanol y otros productos. En un laboratorio de investigacin se desarroll una cepa con elevada
produccin de solventes y tolerante a los mismos.
Se muestra las curvas de crecimiento de esta cepa cuando se la creci con glucosa como nica
fuente de carbono (Fig 1)
a)Cules son los principales productos de la fermentacin a las 15 hs de crecimiento? Y a las 40?
b)Podra estimar la diferencia de pH del medio en ambos puntos de la curva? (no se piden nmeros,
sino una comparacin de pH)
Para conocer en ms detalle las causas del cambio en el perfil de fermentacin que se obtiene a lolargo de la curva, se realiz el siguiente experimento: se crecieron bacterias durante 15 hs como en
el experimento de la Figura 1, y al cabo de ese tiempo las clulas se cosecharon por centrifugacin,
se resuspendieron en medio tamponado a distintos pHs y se continu la incubacin por 24 hs ms
manteniendo condiciones constantes de pH (Fig 2). Al cabo de esta incubacin se determinaron los
productos obtenidos en cada caso.
c) En base a estos resultados, puede estimar por qu cambia el patrn de fermentacin de C.
acetobutylicumdespus de las 15 hs de crecimiento en la Fig. 1?
Fig.1
Fig. 2: Determinacin de los productos finales de la
fermentacin
Fig 1: Crecimiento de C. acetobutylicum
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d) Teniendo en cuenta las rutas de fermentacin de Clostridium acetobutylicum, seale las rutas
ms activas a 15 hs y a 40 hs en un cultivo similar al de la Fig. 1. Justifique.
7.Termoproteus tenaxes una arquea hipertermfila capaz de crecer quimiolitoautotrficamente en
H2, CO2y S0, y quimiorganoheterotrficamente en la presencia de S0y sustratos orgnicos como
glucosa, almidn o amilosa. T. tenaxposee dos vas diferentes para el catabolismo de la glucosa:
una variante de la va glicoltica de Embden-Meyerhof -Parnas (EMP) y la va no-fosforilativa de laruta de Entner-Doudoroff (ED). Para investigar la importancia de estas vas catablicas in vivose
realizaron los siguientes experimentos:
a.Para estudiar la utilizacin relativa in vivode estas dos vas degradativas se analiz el flujo de
carbono en clulas crecidas en presencia de (1-13C) glucosa determinando la distribucin de marca
en el amino cido alanina incorporada en la protena celular. Dependiendo de la va usada, la marca
en el 13C del precursor se espera en posicin C-1 (ED) o en posicin C-3 (EMP) de la alanina, que
es el producto de la aminacin directa del piruvato.
El anlisis de alanina en hidrolizados de clulas dio los siguientes resultados:13
C en posicin C-1: 3.8% +/- 0.2 %13C en posicin C-3: 7.0 % +/- 0.3%
b. Se estudi una enzima que pudiera estar potencialmente involucrada en regular el metabolismo
de glucosa. Se purific y caracteriz la enzima glucosa deshidrogenasa que cataliza la oxidacin
irreversible de la glucosa usando NAD+o NADP+como cosustratos y es la primera enzima en la va
de ED.
La enzima se purific a homogeneidad. El PM por SDS-PAGE fue de 41 kDa.
Se midi la actividad en presencia y ausencia de NADP+y su PM por filtracin en gel (Tabla I)
Tabla I: Actividad especfica y PM de la glucosa deshidrogenasa de T. Tenax purificada a
homogeneidad.Actividad especfica (U/mg.prot.) PM por filtracin en gel (kDa)
Ausencia de NADP+ 1.0 600
Presencia de NADP+ 202.0 84
Se determinaron las propiedades cinticas de la enzima: curvas de saturacin en presencia de
glucosa, xilosa, NADP+y NAD+mostraron cintica clsica de Michaelis-Menten.
En presencia de NADP+: Km glucosa 0.3 mM , Vmax40 U/mg. prot.
Km xilosa 8.0 mM, Vmax60 U/mg.prot.
En presencia de glucosa: Km NAD+
86 mMKm NADP+0.7 mM
La actividad no fue modificada por la presencia de ATP, ADP o AMP.
Preguntas:
a. Qu puede concluir sobre la funcionalidad de las vas de EMP y ED en la arquea T. tenax?
b. Cmo podran interpretarse los resultados obtenidos en presencia y ausencia de NADP+?.
Justifique brevemente.
c.En base a la caracterizacin de los parmetros cinticos de la glucosa deshidrogenasa de T. tenax,
cules seran a su criterio los sustratos y co-sustratos usados in vivo? Justifique.
d. Teniendo en cuenta los estudios cinticos, se podra sugerir que la glucosa deshidrogenasa de T.
tenaxes una enzima clave en la regulacin del flujo del carbono por la va de ED en esta arquea?Justifique
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e. Mencione en forma muy general qu diferencias o similitudes presenta la va ED de T. tenax
respecto de la va ED de Pseudomonas o E. coli.
8.Lachnospira multiparuses una bacteria utilizada en digestores de celulosa. Este microorganismo
es capaz de degradar la pectina a cido poligalacturnico (APG) y metanol. Durante su crecimiento
solo utiliza los APG produciendo un patrn de fermentacin tpico: actico, lctico, frmico, etanol,
CO2e H2.Se estudi el crecimiento en medio con pectina como nica fuente de carbono (Fig. 1) y se analiz
el perfil de la fermentacin (Tabla 1) de dos aislamientos de diferente origen.
Debido a los cambios observados en el patrn de fermentacin entre los cultivos se estudi la
pureza de los aislamientos por DGGE. Mientras que en el aislamiento D32 slo se encontr L
multiparus, en el aislamiento RF se determin la existencia de dos microorganismos:L multiparusy
Eubacterium limosum. Este ltimo microorganismoes capaz de utilizar metanol y H2-CO2 como
fuente de energa para la produccin de butirato como producto final de la fermentacin pero
incapaz de utilizar pectina o etanol.
a)Analice e interprete la figura y la tabla.
b)Como podra explicar los cambios producidos en el perfil de fermentacin de L. multiparusen
presencia deE. limosum?
c) Infiriendo que la concentracin del segundo microorganismo es muy baja, como explicara las
diferencias de crecimiento deL. multiparus?
9. Pseudomonas aeruginosaes descripta como una bacteria aerbica no fermentativa ya que no es
capaz de crecer utilizando glucosa, gluconato o piruvato como nica fuente de carbono en
condiciones anaerbicas. Inesperadamente, se encontraron clulas viables en cultivos anaerbicos
con piruvato luego de 18 das de incubacin. Se decidi estudiar este hecho, para lo cual se
realizaron cultivos anaerbicos en presencia y ausencia de piruvato (Fig. 1A ) y posteriormente se
Productos de
fermentacin
L. multiparus
D32
L. multiparus
RF
Actico 12,03 16,70
Propinico 0,17 0,18
Butrico 0,0 2,06
Etanol 1,25 0,0Metanol 5,50 0,0
Lctico 2,07 0,04
Frmico 3,42 0,09
CO2 17,2 12,60
H2 1,63 0,13
Figura 1:Crecimiento deL. multiparus
D32 y RF.
Se realizaron cultivos utilizando 0,2% de
pectina como nica fuente de carbono. A
cada tiempo se extrajo una muestra y se
midi el crecimiento A .
Tabla 1: Productos finales de la fermentacin.
Se obtuvo el medio libre de clulas a las 12 hs de incubacin y se
cuantificaron los diferentes productos a travs de una cromatografa
gaseosa. Los valores estn expresados en mmol/l.
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analizaron los productos generados adems de la desaparicin de piruvato del medio (Fig 1 B). No
se detectaron cido frmico ni etanol.
Fig 1: Incubacin de P aeruginosa en presencia de
piruvato.A.- Las clulas se crecieron a un DO600= 0,3, se lavaron y
resuspendieron en medio base en presencia () o ausencia () de 20
mM piruvato. Se incubaron en condiciones anaerbicas tomando
muestras a los diferentes tiempos. Se determin el nmero de clulas
viables en medio LB.
B.- Los productos del medio libre de clulas obtenidos del cultivo
con piruvato fueron detectados por medio de HPLC. Lactato ();
piruvato (); acetato (
); succinato (
).
Para verificar la capacidad metablica de P. aeruginosa,se tomaron muestras del cultivo a los 10
das, se centrifugaron y resuspendieron en medio fresco (Fig 2 B) o con el agregado de nitrato comoaceptor de electrones (Fig 2 A).
Fig. 2:Actividad metablica de P aeruginosa
Se tomaron muestras de cultivos con piruvato de 10 das de
la figura 1. Las clulas fueron lavadas y resuspendidas en
medio fresco mas nitrato (A) o en medio fresco (B). Se
tomaron muestras cada hora y se determin la
concentracin de sustratos y productos formados en el
medio. Nitrato (); lactato (); piruvato (); acetato ();
succinato ().
Preguntas
a)Analice la Fig 1. Como explica las diferencias entre +/- piruvato. Justifique.
b) Compare las figuras 2 A y B. Explique los procesos que estn ocurriendo.
c)Esta Ud de acuerdo con la descripcin de P. aeruginosa? Justifique.
A
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d)Grafique el crecimiento de P. aeruginosaque esperara en las figuras 2 A y B. (OD600inicial =
0,3)
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