Unidad 7 Metabolismo del Nitrógeno Parte I

Vista previa del material en texto

UNIDAD 7
Metabolismo del Nitrógeno
• Asimilación del Nitrógeno Inorgánico
• Fijación Biológica del Nitrógeno
Metabolismo del Nitrógeno
• 1. Nitrógeno Inorgánico
• 2. Fijación Biológica del Nitrógeno
• 3. Metabolismo de los Aminoácidos
Degradación
Síntesis y regulación
• 4. Metabolismo de los Nucleótidos
Nucleótidos de Purina
Nucleótidos de Pirimidina
Regulación
1. Nitrógeno Inorgánico
hasta a amoniaco
El nitrógeno cicla entre formas 
oxidadas y reducidas en la 
biósfera
Anammox
• Oxidación anaerobia del ion amonio, es un proceso 
biológico que forma parte del ciclo del nitrógeno. En este 
proceso el nitrito y amonio se convierten en gas nitrógeno. 
La reacción catabólica total es:
• NH4
+ + NO2
- → N2 + 2H2O.
• Las bacterias que realizan el proceso anammox 
pertenecen a la línea de los Planctomycetos y 
corresponden a los géneros: Brocadia, Kuenenia, 
Jettenia, Anammoxoglobus (todos de agua dulce), 
y Scalindua (marinos)
• Es un proceso desarrollado en rangos de temperatura de -
2 a 43°C en pH neutro hacia alcalino
Reacción anammox considera dos intermediarios hidroxilamina/ 
hidrazina u óxido nítrico/hidrazina
El proceso anammox puede ser visto en reacciones 
que consideran dos intermediarios, siendo ambos de 
rápida utilización . 
El amonio (NH4 + ) se combina con la hidroxilamina (NH2OH) para 
formar hidracina (N2H4) mediante la enzima hidracina hidrolasa 
(hh). La hidracina es oxidada a nitrógeno gas (N2) por la enzima 
hidracina oxidasa (HZO). Esta oxidación tiene lugar en el interior de 
un anammoxosoma, donde se generan 4H+ y 4e- y el producto final 
es nitrógeno gaseoso. En el riboplasma, estos 4e- son utilizados 
junto con 5H+ por la enzima nitrito reductasa (nir) para reducir el 
nitrito (NO2 - ) a hidroxilamina y empezar de nuevo el proceso 
anammox.
El proceso con tres reacciones consecutivas y acopladas con dos 
intermediarios, el Oxido nítrico (NO) y la Hidrazina (N2H4)
1) La reducción de un electrón del sustrato nitrito hasta NO 
mediante la nitrito reductasa (NirS)
2) La activación del segundo sustrato amonio con NO y la entrada 
concomitante de tres electrones para sintetizar Hidrazina (N2H4) 
mediante la hidrazina sintasa (HZS)
3) La oxidación de la Hidrazina, hasta N2 mediante la hidrazina
deshidrogenasa (HDH)
NITRIFICACIÓN: Oxidación del amonio hasta
nitrito y nitrato
Enzimas:
Amonio monooxigenasa 
Hidroxilamina óxido reductasa
Enzima:
Nitrito óxido reductasa
Género
Grupo 
Filogenético
DNA (mol% 
GC)
Habitat Características
Nitrosomonas
Beta 
Proteobacteria
45-53
Suelo, aguas 
residuales, 
Agua dulce,
Mar
Gram-negativa bacilos
cortos con movilidad
polar o no moviles; 
sistemas de membrana
periféricos
Nitrosococcus
Gamma
Proteobacteria
49-50
Agua dulce,
Mar
Cocos grandes , 
móviles, con 
membrana vesiculares
o periféricas
Nitrosospira
Beta 
Proteobacteria
54 Suelo
Espiralados, con 
flagelos peritricos; sin 
aparentes sistemas de 
membranas
Nitrosolobus
Beta 
Proteobacteria
54 Suelo
Pleomórficos, 
lobulares, celulas con 
compartimentos; 
moviles con flagelos
peritricos
Bacterias nitrificantes que oxidan el amonio
Género
Grupo 
Filogenético
DNA 
(mol% 
GC)
Habitat Características
Nitrobacter
Alpha
Proteobacteri
a
59-62
Suelo, Agua 
dulce, Mar
Bacilos cortos, reproducción por
gemación, ocasionalmente móviles
con flagelo terminal o subterminal
o no móviles; sistemas de 
membrana dispuestos de manera
polar.
Nitrospina
Delta 
Proteobacteri
a
58 Marino
Bacilos alargados y delgados, no 
móviles y sin sistemas de 
membranas aparente.
Nitrococcus
Gamma 
Proteobacteri
a
61 Mar
Cocos grandes, móviles con uno o 
dos flagelos subterminales; con 
sistemas de membranas
dispuestos a manera de tubos.
Nitrospira Nitrospirae 50 Mar, Suelo
Células helicoidales o con forma 
de vibriones; no móviles ; sin 
sistemas de membrana internos.
Bacterias nitrificantes que oxidan el nitrito
Comammox (Nitrificación completa) en Nitrospira inopinata
Nitrospira desempeña un papel fundamental en 
la nitrificación como bacteria quimioautotrófica
aerobia que oxida el nitrito. Estas bacterias a 
menudo se encuentran en estrecha asociación 
con bacterias o arqueas oxidadoras de amonio 
que convierten el amonio en nitrito, el cual es 
oxidado en nitrato por esta Nitrospira. 
Los miembros de Nitrospira descubiertos 
recientemente catalizan ambos pasos de la 
nitrificación por sí solos y, por tanto, se 
denominan oxidantes completos de amoníaco u 
organismos "comammox". 
Algunas cepas de Nitrospira utilizan sustratos 
alternativos, como el H2 y el formato, utilizando 
el oxígeno o el nitrato como aceptor final de 
electrones, y pueden explotar estas fuentes de 
energía simultáneamente con la oxidación 
aeróbica de nitritos. Esta versatilidad metabólica 
permite a Nitrospira colonizar una amplia gama 
de hábitats y soportar cambios en las 
condiciones ambientales, como las 
concentraciones cambiantes de oxígeno.
Nitrato reductasa
• Las nitrato reductasas catalizan la 
reducción del nitrato:
• NO3
- + 2H+ + 2e- -> NO2
- + H2O
• Tres clases en las bacterias
– Ligada a cadena transportadora en 
membrana (Nar)
– Periplasmática (Nap)
– Citoplasmática asimilatoria (Nas)
Sistema Nar: Reducción del nitrato para respiración
Enzima ligada a membrana
utilizada por algunos
desnitrificadores y 
respiradores de nitrato. 
Contiene MGD 
(molibdopterina guanina 
dinucleotido), 5 racimos 
Fe-S y citocromo b556.
Permite la generación de 
fuerza protón motora
utilizando el nitrato como
aceptor de electrones
alternativo en condiciones
anaeróbicas. Este sistema
se induce por la presencia
de nitrato y se inhibe en 
presencia de oxígeno. Es 
insensible ante la 
presencia de amonio.
Journal of Inorganic Biochemistry 100 
(2006) 1015–1023
Sistema Nap: Nitrato reductasa desasimilatoria de 
periplasma
Presente en muchas
bacterias gram negativas
de desnitrificación. 
Contiene
molibdopterina guanina
dinucleotido, un
Racimo Fe-S, citocromo
c552 (NapB), y un
citocromo c (NapC).
No es reprimida ni por el 
nitrógeno ni por el 
oxígeno.
Journal of Inorganic Biochemistry 100 
(2006) 1015–1023
Nitrato reductasa periplasmática , una enzima
desasimilatoria
Sistema Nas: Nitrato reductasa asimilatoria
Enzima citoplasmática que permite la utilización del nitrato como fuente
de nitrógeno. El sistema es reprimido por amonio pero no es afectado por
oxígeno. Presenta un sitio activo conteniendo un cofactor MoGD pero
varía en los centros Fe-S y en los transportadores de electrones. 
Dependiendo del microorganismo la enzima usa ferredoxina,flavodoxina, 
o NADH como donador de electrones. 
Journal of Inorganic Biochemistry 100 
(2006) 1015–1023
Nitrato reductasa bacteriana
JOURNAL OF BACTERIOLOGY,
Nov. 1999, p. 6573–6584 Vol. 181, No. 21
2. Fijación Biológica del Nitrógeno 
Rhizobium
Formación del primordio de nódulo
Diferenciación 
del bacteroide
Fijación de 
Nitrógeno
Factor Nod
(especificidad)
Invasion a través de un filamento
de infección
Fijación Biológica de nitrógeno- Rhizobium
Flavonoides
(especificidad)
Proceso de formación del nódulo
1. La Bacteria contacta con la raíz; 
Se encuentran quimiotácticamente atraídas hacia los flavonoides
que la planta produce en los exudados de la raíz, principalmente
como respuesta a la limitación de nitrógeno
daidzeina
(una isoflavona)
naringenina
(una flavonona)
2. Las bacterias atraídas a la raíz se adhieren a los pelos 
radicales y secretan oligosacáridos señal específicos (factores 
nod). 
Son sustancias o señales específicas secretadas
por la bacteria en respuesta a sustancias
secretadas por la raíz ( flavonoides,
isoflavonoides, betaínas), permitiendo asi la
nodulación.
Los genes implicados en la síntesis de los
factores Nod son los genes nod que
comprenden a genes designados como nod, nol
y noe.
Factores NodTodos los factores Nod caracterizados tienen una estructura básica
común que consiste en un oligómero de N acetil D- glucosamina
con enlace β1,4 que lleva unido un ácido graso al nitrógeno del
extremo no reductor.
Los factores Nod tienen una marcada semejanza estructural a la
quitina por lo que también se les llama LCOs (lipochitin
oligosaccharides).
Las estructuras de los 
factores Nod varían en:
1.La presencia de grupos 
adicionales 
2.El tipo de acido graso 
presente 
3.La longitud del esqueleto 
de oligosacarido.
ESTRUCTURAS DE LOS FACTORES DE NODULACIÓN Y LAS POSIBLES SUSTITUCIONES
Además existen otros genes involucrados también en la modificación de la
estructura básica del factor Nod como:
nodH que codifica una sulfotransferasa que transfiere un grupo sulfato al
extremo reductor de los factores Nod
nodPQ para las enzimas que sintetizan la forma activada del sulfato que va
a transferir NodH.
nodZ que determina el rango de hospedador. Su producto es una fucosil
transferasa, que añade fucosa al extremo reductor del factor .
nodF y nodE producen compuestos que se requieren para la biosíntesis de
ácidos grasos poliinsaturados. La presencia de éstos es necesaria
para la nodulación de algunas leguminosas.
La capacidad que tenga la bacteria de producir factores Nod con
estructuras diferentes se ha relacionado con la capacidad de nodular un
amplio rango de hospedador.
3. En respuesta a los oligosacáridos señal (factores Nod), el 
pelo radical empieza a deformarse, se curva en el extremo y 
la bacteria es encerrada en un espacio determinado.
4. La bacteria se divide formando el “filamento de infección” y 
penetra en la corteza de la raíz.
Constituyentes de Superficie: Polisacáridos
• Sirven para estados más tardíos de infección:
– Formación, elongación del canal de infección.
– Liberación de bacterias en el citoplasma de células infectadas.
• Polisacáridos de simbiosis:
– Exopolisacáridos (EPS)
– Lipopolisacáridos (LPS)
– Antígeno capsular K (KPS)
– Glucanos cíclicos
Los exopolisacáridos (EPS)
• Los EPS producidos por los rizobios son 
mayormente heteropolisacáridos cepa-
específicos y están formados por unidades 
repetidas de residuos de hexosas como 
glucosa, galactosa, manosa, ramnosa, y 
ácidos galacturónicos y glucurónicos con 
sustituciones de piruvato, acetil, succinil e 
hidroxibutanoicos. 
• Los EPS producidos por los rizobios son 
altamente diversos variando en el tipo de 
azúcares y los enlaces de las subunidades, el 
tamaño de las cadenas, el grado de 
polimerización y los grupos que los 
sustituyen. 
R. Bras. Ci. Solo, 35:657-671, 2011
Agrandamiento del 
nódulo, fijación de 
nitrógeno e intercambio 
de nutrientes
Desarrollo del nódulo
Características de los nódulos con crecimiento determinado e 
indeterminado 
DETERMINADO INDETERMINADO
_____________________________________________________________________________
Planta hospedera Soya, frijol , caupí Alfalfa, arveja, haba 
Origen geográfico Tropical y subtropical Templado 
Forma del nódulo Esférica Cilíndrica, a menudo ramificada 
Lugar de inicio de las Córtex externo Córtex interno 
divisiones celulares 
Crecimiento nodular Expansión celular División celular 
Inductores de genes nod Isoflavonas Flavonas, flavononas
Producto exportado Ureidos Amidas 
_____________________________________________________________________________
Datos compilados de Sprent (1980) y Hirsch (1992). 
5. El filamento de infección penetra a través de varias capas en la corteza,
luego se ramifica en el interior. 
Las celulas tetraploides de la corteza son inducidas a la división y se 
organizan formando el primordio de nódulo.
6. El filamento de infección entra al primordio de nódulo e ingresa a cada 
célula del primordio. Las bacterias son liberadas dentro del citoplasma
de las células pero se encuentran rodeadas de una membrana 
peribacteroide (MPB)
7. Un error en la formación de la membrana peribacteroide puede resultar
en la activación de las defensas de la planta y/o en la formación de 
nódulos inefectivos. La formación del simbiosoma depende
de la expresión del gen DMI2, que codifica para una kinasa de membrana.
A continuación hay una división continua y sincronizada de los rizobios
rodeados de MPB.
8. Las células infectadas de la raíz se hinchan y cesan su división, las 
bacterias se transforman en bacteroides, adquiriendo el estado de
fijación.
membrana
peribacteroide
bacteroide
transportadores
Bacteroides
– Son unas formaciones ramificadas, hinchadas 
y deformes.
– Pueden llegar a ser hasta 40 veces más 
grandes que los bacilos a partir de los que se 
desarrollan, y en una sola célula vegetal se 
encuentran hasta varios miles.
– La fijación de nitrógeno no se inicia sino hasta 
que se han formado los bacteroides. 
FIJACION BIOLOGICA DE NITROGENO
Nitrogenasa : Dos proteínas multiméricas
Componente I Dinitrogenasa Fe Mo
Componente II Dinitrogenasa reductasa Fe Proteína
-Dinitrogenasa FeMo : tetrámero α2 β2 de 4 polipéptidos. FeMoCo 
(Racimo FeMo, es un cofactor)
-Dinitrogenasa reductasa (Proteína Férrica: dímero γ2 de 2 
polipéptidos similares
Ambas poseen centros FeS
• Reacción dinitrogenasa: Proceso reductivo
(N2) N ≡ N + [ H
+] HN = NH H2N-NH2 2NH4 + H2
diimida hidracina amonio
Es una reacción dependiente de ATP , los electrones se transfieren desde el racimo 
Fe4 S4 en la proteína férrica (Comp. II) hasta el racimo FeMo en la proteína FeMo 
(Comp. I), y de allí al N2. La reacción es inhibida por el oxígeno.
Dinitrogenasa
Cofactor FeMo 
N2 + 8H
+
2NH3 + H2
8e-
Dinitrogenasa
Dinitrogenasa
reductasa
Fd(red)
Fd(ox)
nMgATP
nMgADP + nPi
N2 + 8H
+ + 8e- + 16 MgATP → 2NH3 + H2 + 16MgADP
Donadores de electrones de la dinitrogenasa
• El donador de electrones de la nitrogenasa in vivo es una proteína de
potencial redox muy negativo, tipo flavodoxina (en fijadores de vida libre como
Klebsiella) o ferredoxina (en los fijadores simbióticos y anaerobios). 
• No se conoce con seguridad cómo son reducidas, a su vez, la flavodoxina o
la ferredoxina, pero probablemente el poder reductor necesario para ello está 
acumulado en forma de potencial de membrana o de gradiente de H+.
• La nitrogenasa está regulada in vivo a diversos niveles: transcripción,
traducción, disponibilidad de sustrato, modificación covalente y moduladores
alostéricos. El ADP-Mg2+ y el H2, productos de la actividad nitrogenasa, son
también potentes inhibidores de la enzima purificada. Asimismo, el O2 inactiva
irreversiblemente el enzima.
Fijación de Nitrógeno
N2
NH3
e-
dinitrogenase
dinitrogenase 
reductase
A
D
PR
ADPR
DRAT
DRAG
light or no
NH4
dark or 
NH4
NAD+ Nicotinamide 
Regulación de la enzima dinitrogenasa
Cianobacterias fijadoras 
de Nitrógeno
http://www.eez.csic.es/~olivares/ciencia/fijacion/figura4.html
Un microorganismo puede proteger a su
Nitrogenasa del 02 por más de un mecanismo:
1). Evasión del 02 y desarrollo en ambientes 
anaeróbicos
2). Generación de barreras físicas de protección
que impidan la difusión del 02 hacia la 
Nitrogenasa; sin embargo, en aerobios
obligados, estas barreras no excluyen
completamente el 02; la composición de la 
barrera es importante, ya que no debe afectar la 
difusión del substrato N2 al sitio activo del 
complejo enzimático. 
3). Eliminación metabólica del 02 para reducir su
concentración a niveles aceptables cerca del 
complejo enzimático. 
4). Modificación de la Nitrogenasa, de tal manera
que sea resistente a la inactivación. 
5). Síntesis de novo de la Nitrogenasa alterando
el equilibrio entre la inactivación y la síntesis
Revista Latinoamericana de Microbiología (2001) 43:37-49
Fijación Biológica de Nitrógeno
• Es llevada a cabo por bacterias de taxones diferentes y 
metabólicamente no relacionados que tienen en común la enzima 
dinitrogenasa.
• Ocurre con un gasto de energía alto y esreprimida por el oxígeno y 
otras formas de nitrógeno disponibles.
• Requiere estrategias celulares para la protección de la dinitrogenasa.
• La simbiosis mutualista con leguminosas requiere un reconocimiento 
inicial, la interacción con la planta para la formación de nódulos y el 
proceso de reducción del N2 , la transformación de la bacteria hacia el 
estado bacteroide y la regulación genética del proceso.