Departamento de Microbiología y Genética. Facultad de Farmacia.
Universidad de Salamanca
1.- Sustancias nitrogenadas
2.- Carbohidratos
3.- Lípidos
La célula es una excelente "industria química"
encargada de ensamblar las intrincadas moléculas de la vida. Muchas
de estas sustancias químicas "fabricadas" por las células
son tan complejas que todavía no han podido ser sintetizadas artificialmente
por los químicos en el laboratorio. Sin embargo, las bacterias pueden
sintetizarlas a partir de los nutrientes y a temperatura ambiente. Estas
sustancias son:
A.- Proteínas
El ácido glutámico es el aminoácido más importante
a partir del cual las bacterias sintetizan otros aminoácidos. En
Escherichia coli el ácido glutámico se obtiene por
reducción aminada del ácido a-cetoglutárico. Este ácido
glutámico se puede transformar en otros aminoácidos por dos
mecanismos:
Transaminación: el grupo amino del ácido glutámico
se intercambia por un átomo de oxígeno de diversos ácidos
orgánicos convirtiéndolos en aminoácidos. Por ejemplo,
la síntesis de alanina a partir de la transaminación del ácido
pirúvico:
Acido glutámico (-NH2) + Acido pirúvico (=O) -------->
Acido a-cetoglutárico (=O) + Alanina (-NH2)
Alteración de la estructura molecular: la otra vía
por la cual el ácido glutámico se utiliza para sintetizar
otros aminoácidos es alterando su estructura molecular. Estos cambios
estructurales requieren energía en forma de ATP. Un ejemplo es la
síntesis de prolina:
Acido glutámico + ATP + NADH2 --------> Semialdehido del ácido
glutámico + ADP + P + NAD --------> H2O + Pirrolina-5-ácido
carboxílico + NADPH2 --------> Prolina + NAD
Una vez sintetizados, estos aminoácidos deben activarse para así
poder ser utilizados en la síntesis de proteínas. Las células
activan los aminoácidos usando la energía del ATP de la siguiente
manera:
La síntesis de proteínas se verá en capítulos
posteriores.
B.- Acidos nucleicos
Los aminoácidos son utilizados también por las células
para sintetizar nucleótidos (bloques constituyentes de los ácidos
nucleicos). Existen dos tipos de nucleótidos según el azúcar
que contengan:
Ribonucleótidos: ribosa; síntesis de RNA
Deoxiribonucleótidos: deoxiribosa; síntesis de DNA
Purinas: adenina o guaninaEn la biosíntesis de las purinas se requieren los aminoácidos glicina, aspártico y glutamina además de energía en forma de ATP y GTP (guanosina trifosfato). En la biosíntesis de las pirimidinas se requieren los aminoácidos glutamina y ácido aspártico así como energía en forma de ATP. En ambos casos la ribosa fosfato se obtiene a partir de glucosa.
Pirimidinas: citosina, timina o uracilo
El ATP, además de ser una molécula que intercambia energía,
es la forma activa de un nucleótido, la adenosina monofosfato (AMP),
que se utiliza para sintetizar ácidos nucleicos.
La biosíntesis de DNA y RNA a partir de los nucleótidos activados
la veremos en capítulos posteriores.
Los microorganismos sintetizan carbohidratos mediante diferentes mecanismos
según sean autotrofos (CO2) o heterotrofos (compuestos orgánicos
como la glucosa) a partir de los cuales obtienen los diferentes monosacáridos.
Estos monosacáridos deben ser activados para poder ser ensamblados
en los polisacáridos correspondientes. Por ejemplo, la forma activada
de la glucosa es uridin difosfato glucosa (UDP-Glucosa) y la fuente de energía
usada es ATP y UTP:
Biosíntesis del peptidoglucano de la pared celular: La
síntesis de los polisacáridos bacterianos se puede ilustrar
mediante la biosíntesis del peptidoglucano. Si bien este peptidoglucano
está localizado en la pared celular, la mayoría de la energía
utilizada en este proceso biosintético se consume dentro de la célula.
Los distintos pasos involucrados en este proceso se sumarizan en:
(i) A partir de glucosa y utilizando ATP y UTP se obtiene N-acetilglucosamina-UDP (NAG-UDP).
(ii) Algunas de estas moléculas de NAG-UDP se utilizan para obtener N-acetilmurámico-UDP (NAM-UDP). La energía requerida en este paso se obtiene a partir del fosfoenolpirúvico.
(iii) A cada molécula de NAM-UDP se le unen 5 aminoácidos para formar una cadena pentapeptídica. La adición de cada aminoácido requiere energía en forma de ATP.
(iv) El grupo UDP del NAM-pentapéptido-UDP se reemplaza por un lípido llamado lípido transportador.
(v) A este NAM-pentapéptido-lípido transportador se le une una molécula de NAG-UDP para formar una unidad completa activada que se insertará en la cadena de peptidoglucano.
(vi) Esta unidad completa activada se transporta, con la ayuda del lípido transportador, a través de la membrana hacia la pared celular.
(vii) Una vez en la pared celular, esta unidad completa activada se une a una cadena de peptidoglucano alargándose esta cadena en una unidad.
(viii) El último paso es la unión de esta cadena a otras cadenas para formar la malla del peptidoglucano que constituye la estructura de la pared celular. Esta unión se inicia con la eliminación del quinto aminoácido de la cadena pentapeptídica, reacción catalizada por el enzima transpeptidasa. La rotura de este enlace libera energía que es utilizada por la transpeptidasa para unir los tetrapéptidos de dos cadenas distintas (el tercer aminoácido de una con el cuarto aminoácido de otra).
Los lípidos más importantes de las células bacterianas
son los fosfolípidos que, junto con las proteínas, forman
la estructura de la membrana citoplásmica. La vía general
por la cual los microorganismos sintetizan fosfolípidos comienza
a partir de glucosa (6C) que a través de la glucolisis se oxida originando
dos moléculas de ácido pirúvico (3C) que a su vez se
descarboxila a acetil-CoA (2C); este acetil-CoA puede carboxilarse
para formar malonil-CoA (3C). Esta última reacción
consume energía en forma de ATP:
El acetil-CoA y malonil-CoA son las formas activas del ácido acético
y malónico respectivamente las cuales se utilizan para sintetizar
ácidos grasos de cadena larga:
(2C) Acetil-CoA + (3C) Malonil-CoA --------> Acetil-proteína
+ Malonil-proteína --------> (4C) Butiril-proteína +
CO2 --------> + Malonil-proteína --------> (6C)-proteína
+ CO2 --------> + Malonil-proteína --------> -------->
--------> --------> --------> (16C ó 18C)-proteína
+ CO2
Una vez formados los ácidos grasos de cadena larga, éstos
se utilizan para sintetizar los fosfolípidos. Para ello se necesita
además glicerol fosfato, compuesto que se obtiene por reducción
de la dihidroxiacetona fosfato que es un intermediario en la glucolisis.
A cada molécula de glicerol fosfato se le unen dos moléculas
de ácidos grasos de cadena larga para formar una molécula
de ácido fosfatídico que es un fosfolípido sencillo
a partir del cual se sintetizan otros fosfolípidos mediante
la unión de otros grupos químicos al grupo fosfato. Por ejemplo,
el aminoácido serina se puede adiccionar al ácido fosfatídico
para formar fosfatidilserina. La energía que se requiere en
esta reacción se obtiene a partir de la citidina trifosfato (CTP):