Unidad 6 Metabolismo de Hidrocarburos

Vista previa del material en texto

Unidad 6
Metabolismo de Hidrocarburos
Lista de Contaminantes Ambientales Prioritarios (EPA-USA)
Lista de Contaminantes Ambientales Prioritarios (EPA-USA)
Compuestos contaminantes de origen industrial
Orgánicos
Pesticidas (concentraciones traza pero muy tóxicos)
Derivados del petróleo
Hidrocarburos aromáticos policíclicos (PHA)
Hidrocarburos policlorados, solventes orgánicos y carburantes 
Solventes orgánicos no clorados
Tintes, detergentes, blanqueadores
Inorgánicos
Fosfatos y nitratos (agricultura intensiva)
Metales tóxicos (Zn, Cd, Ni, Cu, Pb, Cr, Hg, Mo, As, Se)
Hidrocarburos aromáticos policíclicos (PHA) contaminantes
Hidrocarburos representativos del petróleo
Alcanos
Cíclicos
n-alcano
Alcano ramificado
Ciclopentano Ciclooctano Biciclooctano
Ciclohexano Bicicloheptano 
Aromáticos
Benzeno Naftaleno Fenantreno Benzo (a) pireno
Hidrocarburos utilizados como sustrato por 
microorganismos
Microorganismos que degradan Hidrocarburos
Géneros de hongos que crecen sobre sustrato de 
petróleo crudo y medio inorgánico líquido
Penicillium sp.
Paecilomyces sp.
Aspergillus sp.
Trichoderma sp.
Phanaerochaete
Pleurotus ostreatus
1) Oxidación del metano
CH4 + O2 + XH2 CH3OH + H2O + X
metano oxigenasa
HCHO
HCOOH + CO2
2) Oxidación de Hidrocarburos alifáticos
C7H15-CH3 + NADH + O2 C7H15CH2OH + NAD + H2O
octano octanol
H 
C7H12C=O octanal
OH
C7H18C=O ac. octanoico
beta oxidación
Acetil CoA
monooxigenasa
Transformaciones de hidrocarburos
Degradación de hidrocarburos alifáticos
3) Oxidación de Hidrocarburos Aromáticos
• Inicio: Formación de Protocatecuato ,Catecol, Ac. 
Gentísico
• Características : Los grupos metoxilo son 
convertidos en carboxilo. El carboxilo normalmente 
es liberado. El anillo aromático se apertura por 
introducción de grupos OH o H
• Final: Formación de compuestos que ingresan al 
ciclo TCA.
Acción microbiana frecuente en grupos sustituyentes
de anillos aromáticos
Degradación 
aeróbica de 
Hidrocarburos 
aromáticos
Piruvato + Acetaldehido 
Succinato + 
Acetato
OH
COOH
NH2
OH
CATECOL
OH
OH
COOH
NH2
CH CH
COOH
CHO
CH
COOH
CH2OH
CH3
CO COOH
N
H
CH2
CHNH2
COOH
CH2 CHNH2
CO CH2 CHNH2
NH2
COOH
NHCHO
CO
anilina
antraceno
salicilato
antranilato
fenantreno
naftaleno
benceno
fenol
benzoato
benzaldehído
L-mandelato
cinamato
alcohol
bencílico
tolueno
benzoilformiato
L-triptófano
formilquinurenina
quinurenina
HO COOH
COOH
COOH
CHO
OH
COOH
COOH
CATECOL
orto meta
OH
OH
Rotura del anillo: DIOXIGENASAS
cis,cis-muconato Semiladhido 
hidroximucónico
1,2 Dioxigenasa
2,3 Dioxigenasa
O2
HCOOH
COOH
OHO
4-hidroxi-2-oxovalerato aldolasa
O2
CH3COOH
4-hidroxi-2-oxovalerato
2-hidroxi, 6-oxo
2,4-heptadienoato hidrolasa
acetaldehído deshidrogenasa
CCH3
O
SCoA
acetilCoA
OH
CHO
COOH
OH
OH
CH3 CO COOH
OH
COOH
COOH
O
COOH
COOH
CO2
O
COOH
OH
C
COOH
CH3
O
CH3
OH
OH
catecol
semialdehído 2-hidroximucónico
2-oxo 4-pentenoato
Catecol 2,3 Dioxigenasa
2-hidroxi-2,4-pentadienoato hidratasa
3-metilcatecol
2-hidroxi, 6-oxo
2,4-heptadienoato
4-oxalcrotonato
isomerasa
+
piruvato
CH3CHO
acetaldehído
META
4-oxalcrotonato (enol)
4-oxalcrotonato (ceto)
semialdehido
2-hidroximuconato
deshidrogenasa
semialdehido
2-hidroximuconato
hidrolasa
4-oxalcrotonato
descarboxilasa
O2
b-carboximuconato
lactonasa
C
HOOC
O
SCoA CH3C
O
SCoA
acetilCoAsuccinilCoA
O2
OH
OHHOOC
COOH
COOH
HOOC
COOH
O
O
HOOC
ORTO
COOH
O
O
COOH
CO
O
SCoA
COOH
COOH
O
OH
OH
COOH
COOH
COOH
O
O
b-cetoadipato enol lactona
muconolactona
isomerasa
b-cetoadipato
b-cetoadipato enol lactona hidrolasa
b-cetoadipato succinilCoA transferasa
b-cetoadipilCoA tiolasa
catecol
cis,cis-muconato
muconolactona
protocatecuato
b-carboxi-cis,cis-muconato
g-carboximuconolactona
, o n
muconato lactonasa
b-cetoadipilCoA
Catecol 1,2 Dioxigenasa
Protocatecuato 3,4 Dioxigenasa
g-carboximuconolactona
descarboxilasa
Degradación anaeróbica 
de los compuestos 
aromáticos
Bajo condiciones anaeróbicas los 
anillos aromáticos son atacados 
reductivamente. Una gran variedad 
de compuestos aromáticos son 
degradados hasta Benzoil CoA a 
través de diversas reacciones de 
carboxilación eliminación reductiva 
de los sustituyentes (hidroxilo, 
amino), oxidación de sustituyentes 
metil, reacciones de desmetilación y 
acortamiento de las cadenas 
alifáticas.
Thauera aromatica K172
CH3
C
SCoAO
benzoilCoA
tolueno
COOH
COOH
HOOC
COOH
O
COSCoA
COOH
2[H]HSCoA
2[H]
H2O
COSCoA
COOH
COSCoA
COOH
COSCoA
COOH
OH
bencilsuccinato
fumarato
bencilsuccinilCoA
E-fenilitaconilCoA
2-carboximetil 3-hidroxi
fenilpropionilCoA
benzoilsuccinilCoA
Bencilsuccinato sintetasa SuccinilCoA:bencilsuccinato
CoA-transferasa
BencilsuccinilCoA
deshidrogenasa
E-fenilitaconilCoA
hidratasa
succinilCoA
succinato
succinilCoA
3-hidroxiacilCoA deshidrogenasa3-oxoacilCoA tiolasa
Se detecta E-fenilitaconilCoA
No requiere ATP
Velocidad aumenta en presencia de succinilCoA como fuente de CoA 
Se detecta actividad SuccinilCoA:bencilsuccinato CoA-transferasa 
C
SCoAO
COOH
C
SCoAO
O
benzoilCoA
C
SCoAO
C
SCoAO
C
SCoAO
O
COOH
C
SCoAO
HO
2 ATP 2[ADP+Pi] H2O NAD
+
NADH+H
+
2[H]
2H2O
COOH
SCoAO
C
COOH
SCoAO
C
SCoAO
C
OH
SCoAO
C
O
SCoAO
C
CH3
SCoAO
C
CO2 CH3
SCoAO
C
2[H]2[H]
H2O
2[H]
1,5-ciclohexadieno
1-carboxilCoA
6-hidroxi 1-ciclohexeno
1-carboxilCoA
6-ceto 1-ciclohexeno
1-carboxilCoA
3-hidroxipimelilCoA
1,5-ciclohexadieno
1-carboxilCoA hidratasa
6-hidroxi 1-ciclohexeno
1-carboxilCoA
deshidrogenasa
6-ceto 1-ciclohexeno
1-carboxilCoA
hidrolasa
BenzoilCoA reductasa
3-hidroxipimelilCoA
deshidrogenasa
2 acetilCoA
COOH
C
SCoAO
Rhodopseudomonas
palustris
PimelilCoA
CO SCoA
COOH
OH
OH
OH
OHHO
OH
OH
COOH
OH
OH
COOH
OH
HO
2 [H]
2 ATP
OH
OH
Co-sustratos anaerobios: 2 [H], ATP, CoA, H2O
Co-sustratos aerobios: O2, H2O
REDUCCIÓN del anillo
RUPTURA HIDROLÍTICA
OXIDACIÓN del anillo
RUPTURA OXIGENOLÍTICA
benzoil-CoA
resorcinol
fluoroglucinol
catecol
protocatecuato
gentisato
CoASH
SCoAO
O2
O2
COOH
COOH
2O
Intermedios
centrales
(aerobios)
Intermedios
centrales
(anaerobios)
ANAEROBIOSIS
AEROBIOSIS
SCoAO
H
Degradación de la Lignina 
• La Lignina se encuentra asociada a la celulosa y 
hemicelulosa en las partes vegetales rígidas
• No es una sustancia de estructura uniforme.
• Es resistente a la hidrólisis ácida y a la 
degradación microbiana.
• Es insoluble en agua y en solventes orgánicos 
neutros, pero es solubilizada con álcalis.
• La unidad básica es un tipo de estructura de 
fenilpropano, el cual puede presentarse en tres 
formas. 
• La degradación microbiana de la lignina es un 
proceso lento.
Tres estructuras del fenilpropano
• Si R y R‘ son H 
(Alcohol Cumaril)
• Si R es H y R‘ es un 
metoxilo (OCH3). 
(Alcohol Coniferil )
• Si R y R‘ son metoxilo 
(Alcohol Sinapil).
HO
R
CH2CH2CH3
R'
Química de la Lignina 
• Las unidades repetidas de fenil propano pueden estar 
unidas por enlaces –eter (C-O-C) o por enlaces (C-C) y 
las uniones pueden ocurrir entre dos anillos de benceno, 
dos cadenas de propano o entre un anillo y una cadena 
adyacente.
• Los enlaces éter relacionan al O del OH del anillo y al C 
de una mitad de propano.
• Los enlaces no se repiten a intervalos regulares en el 
polimero, éste es altamente ramificado y complejo en 
estructura.
• La descomposición de la lignina se lleva a cabo en 
presencia o ausencia de oxígeno pero siempre a una 
velocidad menor que la de otros polímeros, y es 
favorecida a mayores temperaturas.
LIGNINA
Tipos de Lignina
Existen tres tipos de Lignina: 
• Lignina suave, Lignina dura y Lignina de pastos en la basede la cantidad relativa de estos tres bloques de síntesis. 
• Una típica lignina suave (de gimnospermas) contiene 
abundante alcohol coniferil, algo de cumaril y nada de 
alcohol sinapil. 
• La lignina dura (de angiospermas) está compuesta de 
iguales cantidades de unidades de alcohol coniferil y 
sinapil y una menor cantidad de alcohol cumaril. 
• La lignina de los pastos es compuesta por alcohol 
coniferil, sinapil y unidades de p-hidroxifenilpropano con 
ácido p-cumárico en un 5 a 10% y mayormente 
esterificada con un grupo hidroxilo terminal de la cadena 
lateral del alcohol cumaril.
Microbiología de la Lignina
• La descomposición de la lignina se asocia a una 
población de bacterias y hongos, destacando la 
actuación de Basidiomicetos como: Agaricus, 
Armillaria, Clavaria, Clitocybe, Coprinus, 
Coprynellus, Phomes, Polyporus, Pleurotus, 
Poria, Trametes. 
Bacterias del genero Arthrobacter, 
Flavobacterium, Micrococcus, Pseudomonas, y 
Xanthomonas pueden también ser asociadas 
con la degradación lenta de la lignina.
Hongos degradadores de la madera
• Pueden ser clasificados en tres grupos: white-rot, 
brown-rot y soft-rot en la base de los aspectos 
morfológicos de la degradación. Dentro de las más de 
2000 especies de hongos degradadores de la madera, 
el 90% corresponde al grupo “white-rot” (pudrición 
blanca)
• Una vez que el hongo invade la madera, se expande por 
el crecimiento de sus hifas en el lumen del parénquima y 
de las celulas vasculares. Las hifas penetran de una 
célula a la contigua a través de las paredes celulares y 
algunos hongos pueden crecer también en la lamina 
media o en las paredes secundarias.
Hongos “white –rot” “brown-rot” y “soft-rot ”
• Los hongos de la pudrición blanca y parda son especies 
filamentosas de Basidiomicetos. Los “white-rot” 
ocasionan un típico blanqueamiento de la madera 
dándole una consistencia viscosa o esponjosa , degradan 
la lignina y los polisacáridos en tasas similares, la 
mayoría de ellos prefieren la madera dura. 
• Phanerochaete chrysosporium; Phanerochaete sordia; , 
Pleurotus ostreatus; Trametes hirsuta; Ceriporiopsis 
subvermispora; Trametes versicolor; Phlebia brevispora; 
Funalia gallica; Bjerkandera adusta; Cl, Chrysosporium 
lignosum.
Hongos de la pudricion parda y pudricion 
blanda
• Los “brown-rot” preferentemente degradan los 
polisacáridos de la madera y en menor proporción la 
lignina, la mayor parte de ellos ataca la madera suave. 
• Por su parte los “soft-rot”, son un grupo perteneciente a 
los ascomicetos y deuteromicetos, son responsables de 
la degradación de la madera húmeda tanto suave como 
dura en tasas diferentes para los polisacáridos y la 
lignina dependiendo de la especie involucrada.
• Ejm.: Laetiporus sulphureus ; Phaeolus schweinitzii.
Causan pudricion marrón común en coníferas, tales 
como pinos y abetos.
Ustulina deusta causa la pudrición blanda en árboles 
urbanos vivos
Bioquímica de la descomposición de la 
Lignina
• Los productos recuperados de la degradación de la lignina
son: ac. vainíllico, p. hidroxibenzoico, p. hidroxicinámico, 
ferúlico, siríngico y 4 hidroxi-3-metoxifenilpirúvico, también , 
coniferaldehido, p. hidroxicinamil-aldehido, siringilaldehido, 
guaiacilglicerol y eter guaiacilglicerol-β-coniferilico.
• La despolimerización de la lignina sugiere el rompimiento de 
los enlaces éter y la aparición de grupos hidroxilo.
• La ruta metabólica supone que el ataque al polímero rinde éter
guaiacil glicerol-β-coniferaldehido, siendo luego roto el enlace 
éter para producir guaiacilglicerol y alcohol coniferílico y dos de 
los tres carbones de la cadena recta se eliminan con la 
generación de vainillina. La vainillina es oxidada a ac. vainíllico
y ac. Protocatecuico y finalmente el anillo es roto para originar
moléculas orgánicas simples.
Vía propuesta para la 
degradación de la 
Lignina
Enzimas de la degradación de Lignina
• 1) Peroxidasas (hemoproteínas)
– Lignina Peroxidasa (LiP)
– Manganeso Peroxidasa (MnP)
– Peroxidasa Versátil (VP)
• 2) Fenol oxidasas
– Lacasa (enzima cúprica)
• 3) Otras (acción paralela, indirecta)
– Glioxal oxidasa (extracelular)
– Superóxido dismutasa
– Enzimas celulolíticas y xilanolíticas
La inespecificidad química y la intensa actividad oxidante de estas enzimas 
les otorga una considerable capacidad de degradar diferentes compuestos 
orgánicos entre los que se encuentran: pesticidas, hidrocarburos 
aromáticos, compuestos orgánicos clorados, azocolorantes, etc.
LIGNINA
Ruptura oxidativa catalizada por la lignina y manganeso 
peroxidasa y mediadores reactivos generados por estas 
enzimas
Mono, di y oligo lignols
Ruptura oxidativa
Fragmentos C1,C2 y 
C3
Productos de 
la ruptura de 
anillos
Ac. Aromáticos 
y aldehidos
Quinonas
Hidroxiquinonas
Degradación final hasta fragmentos 
afines a vías catabólicas centrales
CO2 + H2O
Microorganismos productores de enzimas ligninolíticas
Enzimas lignolíticas producidas por
Basidiomicetos
Diferentes sectores de aplicación de las enzimas
lignolíticas
Diferentes sectores de aplicación de las enzimas
lignolíticas
Degradación de Pesticidas
Microorganismos capaces de degradar 
pesticidas
Agrobacterium, Arthrobacter, Bacillus, 
Clostridium, Corynebacterium, Flavobacterium, 
Klebsiella, Pseudomonas y Xanthomonas entre 
las bacterias; 
Alternaria, Aspergillus, Cladosporium, Fusarium, 
Glomerella, Mucor, Penicillium, Rhizoctonia y
Trichoderma; entre los hongos
Micromonospora, Nocardia y Streptomyces entre 
los actinomicetos.
Todos ellos son capaces de modificar una o más 
sustancias químicas sintéticas. 
Persistencia de pesticidas
Destino:
• Asimilación por las plantas y acumulación en 
partes comestibles
• Adherencia a porciones comestibles de cultivos 
radiculares
• Transporte hacia corrientes de agua
• Acumulación en lombrices de tierra y luego en 
aves.
• Hidrólisis química
• Degradación microbiana
Tabla de persistencia de herbicidas e insecticidas en los suelos
Sustancia
Tiempo para la desaparición 
del 75 al 100%
Insecticidas clorados
DDT 4 años
Aldrín 3 años
Clordano 5 años
Heptacloro 2 años
Lindano 3 años
Insecticidas organofosforados
Diazinón 12 semanas
Malatión 1 semana
Paratión 1 semana
Herbicidas
2,4-D(ácido 2,4-diclorofenoxiacético) 4 semanas
2,4,5T(ácido2,4,5,triclorofenoxiacético) 20 semanas
Dalapín 8 semanas
Atrazina 40 semanas
Simazina 48 semanas
Propazina 1.5 años
3-[(2-Chloro-1,3-thiazol-5-yl)methyl]-5-
methyl-N-nitro-1,3,5-oxadiazinan-4-imine
Tiametoxam: Un neonicotinoide
Otros neonicotinoides :clotianidina, y el 
imidacloprid
Metabolismo de Pesticidas
A) La sustancia sustenta el crecimiento,sirviendo como 
fuente de carbono, energía y ocasionalmente, de 
nitrógeno y azufre.
B) Conversión de la sustancia aún cuando no constituya 
fuente directa de nutrientes.
C) Cometabolismo
D) Adición de grupos hidroxilo; oxidación de grupos amino, 
oxidación del azufre, adición de un oxígeno a un doble 
enlace (epoxido); adición de grupos metilo; eliminación 
de grupos metilo y alquilo; eliminación de cloro; 
reducción del grupo nitro; desplazamiento de un azufre 
con un oxígeno; migración de cloro; ruptura de un 
enlace eter; metabolismo de cadenas rectas; hidrólisis; 
ruptura del anillo
Crecimiento de Burkholderia cepacia en 2,4.5-T 
como única fuente de carbono y energía
Burkholderia cepacia
AC1100 (bacilo aerobio gram 
negativo)
Metabolismo del 2,4,5-T
http://umbbd.msi.umn.edu/2,4,5-t/2,4,5-t_map
http://wdcm.nig.ac.jp/cgi-bin/search.cgi?query=Burkholderia+cepacia&idxname=STRAINS-bact
1) DETOXIFICACION.- Transformación hacia un producto no tóxico.
2) DEGRADACION.- Transformación hacia productos más simples.
3) CONJUGACION.- Transformación hacia un producto condensado 
más complejo o combinado con metabolitos celulares, con 
frecuencia conducen a detoxicaciones.
4) ACTIVACION.- Conversión de un sustrato no tóxicoen una 
molécula tóxica, que constituye el pesticida real.
5) DEFUSION.- Conversión de una molécula no tóxica, la cual 
puede ser pesticida en lugares donde este sujeto a activación, en 
un producto no tóxico que ya no está sujeto a activación.
6) CAMBIO DE ESPECTRO DE TOXICIDAD.- Algunos pesticidas 
son tóxicos para un grupo de organismos pero son metabolizados 
para formar productos que ínhiben organismos diferentes.
Diversidad de Reacciones
Los heterótrofos durante el metabolismo de sustancias 
tóxicas pueden llevar a cabo una serie de reacciones 
como:
Degradación de pesticidas con o sin producción
de sustratos posteriormente utilizables:
Arthrobacter + Streptomyces
Diacinón
degradación
Mineralización del
anillo pirimidínico
Energía y
fuente de C
Pseudomonas stutzeri
Parathion Dietiltiofosfato
+ p-nitrofenol
Pseudomonas aeruginosa
Mineralización
Productos de
excrección
3,4-Dicloropropionanilida (Propionil)
Ac. Propiónico + 3,4-Dicloroanilina
3-3,4-4’-Tetracloroazobenceno
(Acilamilasa)
(Peroxidasa)
(TÓXICO)
(NO TÓXICO)
(TÓXICO)
Penicillium piscarium
Geotrichum candidum
Flavobacterium
sp. ATCC 27551 
Degradación 
del Parathion
Brevundimonas diminuta
bacilo gram (-) 
Degradación del Parathion por Pseudomonas sp. Cepa WBC-3
Degradación del estireno 
por Exophiala jeanselmei
(levadura) NCIMB 13259 
Pseudomonas putida CA-3 
Se conoce también como 
vinilbenceno, etenilbenceno, 
cinameno o feniletileno. Se utiliza 
para fabricar caucho, plásticos, 
material aislante, cañerías, partes de 
automóviles, envases de alimentos y 
revestimiento de alfombras
http://umbbd.msi.umn.edu/sty/stymap
Degradación del bisfenol A 
(BPA) por Elfvingia applanata
(basidiomiceto)
El bisfenolA fue sintetizado en la 
década de los treinta como 
estrógeno sintético. 
Posteriormente se descubrió que 
actuaba como estabilizante en la 
elaboración de policarbonatos 
plásticos empleados en envases y 
contenedores de uso común en la 
industria alimentaria y en el hogar. 
Estudios posteriores revelaron su 
utilidad como ingrediente inerte en 
pesticidas, en especial fungicidas, 
así como en productos 
antioxidantes, retardadores de 
llama (como los usados en 
colchones ,equipos informáticos) y 
estabilizantes de PVC. Su amplio 
uso, representa una gran difusión 
en el medio ambiente. 
Mecanismo de reducción de Hg2+ a Hg0 en Pseudomonas aeruginosa
Hg2+ + NADPH + H+ ---------- Hg0 + 2H+ + NADP 
mediante una NADP-Hg reductasa de plasmido
MerA:
reductasa de 
Hg
MerP: 
proteína de 
ligazon
MerT: 
proteína de 
membrana
Alcaligenes eutrophus
Plástico biodegradable
Polihidroxivalerato Polihidroxibutirato