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Tema 2 control_bioquimico (5)

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  • 1. TEMA 2. CONTROL BIOQUIMICO DE LOS MICROORGANISMOS PRODUCTORESOBJETIVOS DEL TEMA. • El alumno será capaz de establecer la relación en el metabolismo microbiano entre catabolismo y anabolismo, así como diferenciar uno de otro. • El alumno analizará y diferenciará las categorías metabólicas microbianas • El alumno diferenciará el metabolismo de la glucosa cuando se realiza por respiración aerobia y por fermentación • El alumno analizará y comprenderá que es metabolito primario y que es un metabolito secundario • El alumno establecerá el fundamento de la regulación del metabolismo en la producción de metabolitos y consumo de sustratos • El alumno conocerá y analizará los procedimientos o técnicas que ayudan a obtener cepas microbianas sobreproductoras de algún metabolito • El alumno entenderá el fundamento y aplicación de las técnicas del ADN recombinante para lograr la sobreproducción de metabolitos • El alumno entenderá la importancia del papel de los principales elementos químicos en la nutrición microbiana • El alumno comprenderá los diferentes métodos de conservación de cepas microbianas y analizará sus fundamentos para aplicarlos a un microorganismo.2.1 METABOLISMO MICROBIANO. El metabolismo es el conjunto complejo de reacciones bioquímicas y procesosfisicoquímicos que ocurren en una célula, que están relacionados con las diversasactividades que efectúa un organismo: crecimiento, reproducción, mantenimiento yreparación de estructuras celulares, respuesta a estímulos, etc. La palabra metabolismo proviene del griego metabolé que quiere decir cambio,transformación. El metabolismo representa a las reacciones químicas integrales: anabolismo ycatabolismo. 1
  • 2. Donde por ANABOLISMO se entiende aquella etapa donde se lleva a cabo lasíntesis de macromoléculas para diversas funciones y estructuras celulares, a partir demoléculas sencillas (monómeros), es necesaria la utilización de energía. Mientras el CATABOLISMO es aquella etapa donde existe la disgregación yoxidación de las biomoléculas, con su consecuente destrucción, obteniéndose energía enforma de ATP en el proceso. Esta energía es la usada en las reacciones anabólicas. El uso del ATP, en células vivas, se relaciona con reacciones pares donde, en unaprimera reacción la energía liberada por medio de una reacción exergónica produce lasíntesis de ATP, mientras en una segunda reacción, de naturaleza endergónica que requiereenergía se produce la hidrólisis del ATP. Cada reacción acoplada es catalizada por una enzima específica que coloca a lasmoléculas en los canales de energía de ATP de manera adecuada. Las células guardan energía en ciertas moléculas, la principal es el ATP (adenosintrifosfato). Funciona como una MONEDA ENERGÉTICA. La función del ATP es suministrar energía hidrolizándose a ADP y Pi. Esta energíapuede usarse para: • Obtener energía química: Por ejemplo para la síntesis de macromoléculas; • transporte a través de las membranas • Trabajo mecánico: por ejemplo la contracción muscular, movimiento de cilios y flagelos, movimiento de los cromosomas, etc.Hidrólisis del ATP: ATP + H2O ---> ADP + Pi, ΔGo = -7,3 Kcal/mol (el ΔG de una célula viva está en - 12 Kcal/mol) 2
  • 3. Hidrólisis del adenosín difosfato (ADP): ADP + H2O ---> AMP + Pi, ΔG o = -7,2 Kcal/mol Para sintetizar ATP (adenosín-trifosfato) a partir de ADP (adenosín-difosfato) sedebe suministrar por lo menos una energía superior a 7,3 Kcal/mol. Las reacciones que,típicamente suministran dicha energía son las reacciones de oxidación. ADP + Pi + energía libre --> ATP + H2O Una ruta metabólica o vía metabólica se define como una serie de reaccionesenzimáticas que permiten la transformación de un sustrato a uno o varios productosmediante la formación de intermediarios. Alternativas del metabolismo del carbono en la naturaleza. Fuente: Biotecnología para Principiantes. Renneberg, R. 2008.Síntesis del ATP La Glucosa (C6 H12 O6) es el combustible básico para la obtención de energía(organismos heterótrofos), muchos otros compuestos sirven como alimento, pero casi todosson transformados a glucosa mediante una serie de numerosísimas oxidaciones graduales, 3
  • 4. reguladas enzimáticamente, al cabo de las cuales el oxígeno atmosférico (ingresado porrespiración pulmonar) se une a los átomos de hidrógeno de las citadas moléculas paraformar agua. En cada oxidación se liberan gradualmente pequeñas porciones de energía queson capturadas para formar el ATP. Si las oxidaciones no fueran graduales, la energía seliberaría de manera violenta y se dispersaría como calor. En el proceso de obtener energía a partir de la glucosa hay tres procesosmetabólicos: glucólisis o glicólisis, respiración celular y fermentación.Reacciones de oxido-reducción (REDOX) Otra forma de almacenar energía es transferir electrones (e-), lo cual sucede en lasreacciones de oxidorreducción o reacciones redox. El catabolismo es semejante en los organismos autótrofos y heterótrofos,consistiendo de transformaciones enzimáticas, que en su mayoría son reacciones deoxidación y reducción, en las que unos compuestos se oxidan a expensas de otros que sereducen. En estas reacciones intervienen principalmente enzimas del grupo de lasdeshidrogenasas que utilizan como coenzimas el NAD (nicotinamida adenín dinucleótido),y el FAD (flavín adenín dinucleótido). La oxidación que se lleva a cabo en las reaccionesde catabolismo, consiste en una pérdida de electrones que en muchos casos está asociada ala pérdida de protones. La sustancia que se oxida, pierde electrones y al mismo tiempo pierde protones. Lasustancia que se reduce gana los electrones y a su vez puede captar protones. − + A-H + B → A+e +H + B → A + B-H La sustancia A se oxida y la sustancia B se reduce La ganancia de uno o más e- por un átomo, ión o molécula → REDUCCIÓN La pérdida de uno o más e- por un átomo, ión o molécula → OXIDACIÓN Hay que tener en cuenta que una molécula se oxida o se reduce no solamentecuando intercambia e- sino también cuando intercambia átomos de hidrógeno (no ionesH), ya que involucra transferencia de electrones: H = H+ + e-. Por ello una oxidación siempre ocurre simultáneamente con una reducción.Cuando un material se oxida, los e- perdidos se transfieren a otro material,reduciéndolo, por lo que las reacciones redox son otra forma de transferencia de energía.Cofactores Redox Durante las principales reacciones redox del catabolismo de la glucosa intervienendos moléculas intermediarias: NAD y FAD (cofactores redox).NAD: nicotinamida adenina dinucleótido. NAD+ en su forma oxidada y NADH + H+ suforma reducida. La concentración de NAD+ en la célula es pequeña; por lo tanto debe reciclarsecontinuamente de la forma oxidada a la reducida y viceversa. NAD+ (oxi) + 2H+ + 2e- → NADH (red) + H+En algunas reacciones interviene el cofactor NADP, que funciona de manera similar alNAD. 4
  • 5. FAD: flavina adenina dinucleótido. Transporta 2H, por lo que es FAD en su forma oxidaday FADH2 cuando está reducido.Otros cofactores Redox: • Ubiquinona (Coenzima Q) -- transporta 2H • Grupo Hemo (en los citocromos) -- transporta un electrón4.2 CATEGORIAS METABOLICAS MICROBIANAS Las bacterias representan al grupo de organismo con mayor versatilidad metabólica.Al parecer la regla es que mientras la complejidad de un organismo es mayor, menor es suversatilidad metabólica para obtener energía (por ejemplo las células de animales). Todoslos mecanismos posibles de obtención de materia y energía podemos encontrarlos en lasbacterias. Según la fuente de carbono que utilizan, los seres vivos se dividen en autótrofos,cuya principal fuente de carbono es el bióxido de carbono, y heterótrofos cuando su fuentede carbono es materia orgánica. Respecto a la obtención de energía (principalmente ATP), la cual se capta de algunafuente de energía externa del medio ambiente, se tienen los siguientes tipos de metabolismoenergético:1) Energía procedente de radiaciones (en los cuantos de una determinada longitud de ondade la luz visible): organimos fotótrofos, que pueden sera) Fotolitótrofos: captan energía lumínica en presencia de sustancias inorgánicas;b) Fotoorganótrofos: captan energía lumínica con requerimiento de sustancias orgánicas.2) Energía que se desprende a partir de moléculas químicas en reacciones biológicas deóxido-reducción: organismos quimiótrofos, que pueden sera) Quimiolitótrofos: captación de energía química a partir de sustancias inorgánicas. En elcaso de las bacterias existen diferentes grupos fisiológicos de acuerdo al compuestoinorgánico donador:• Bacterias de hidrógeno (H2)• Bacterias del hierro (Fe)• Bacterias del azufre (S)• Bacterias nitrificantes, con dos subtipos diferentes; las que oxidan amoniaco(llamadas nitrosas) y las que oxidan nitrito (llamadas nítricas).En general, el mecanismo de generación de ATP es similar al de quimioorganótrofasrespiradoras. Los electrones extraídos del donador exógeno (en este caso inorgánico) pasana una cadena transportadora de electrones hasta un aceptor final, que suele ser el oxígeno.Pero a excepción del H2, los demás donadores inorgánicos de electrones tienen un potencialde oxidación E0 menor que el del NADH, por lo que la oxidación de estos donadoresinorgánicos sólo puede generar energía, pero no poder reductor de modo directo. Para obtener poder reductor emplean transporte inverso de electrones: parte del gradienteelectroquímico creado se emplea en hacer que electrones viajen por la cadena del transportede electrones (o una parte de ella) en sentido inverso, para poder reducir el NAD.b) Quimiorganótrofos: la captación de energía química es a partir de sustancias orgánicas. 5
  • 6. En los organismos quimiótrofos, la captación de energía consiste esencialmente enla oxidación de un sustrato reducido (orgánico en quimiorganotrofos e inorgánico enquimiolitotrofos) con una redución concomitante de un aceptor de electrones (que a su vezpuede ser orgánico o inorgánico), y todo ello acoplado a un sistema de fosforilación delADP, que se convierte en ATP.2.3 DIFERENCIAS ENTRE RESPIRACIÓN AEROBIA Y FERMENTACIÓN. El catabolismo de la glucosa es de suma importancia en la mayoría de los procesosde fermentación a nivel industrial, motivo por el se comenta a continuación. En el catabolismo de la glucosa, los protones que se liberan en la oxidación antes dellegar al aceptor final (molécula aceptora final de hidrógenos) son captados por lostransportadores de hidrógenos (NAD, NADP, FAD, coenzimas de las deshidrogenadas),que a su vez se reducen a NADH, NADPH y FADH2. Cuando estos se oxidan, cedenelectrones y protones. Los electrones son transportados por un conjunto de moléculastransportadoras, los citocromos, cuyo conjunto de moléculas constituye la denominadacadena respiratoria, hasta el aceptor final de electrones (oxígeno, cuando el metabolismoes aerobio) que al unirse a los protones forma agua (H2O). Durante este último proceso, latransferencia de electrones libera gran cantidad de energía que se acumula en forma de ATPen el proceso denominado fosforilación oxidativa. Existen dos modalidades básicas de catabolismo de la glucosa: la respiración y lafermentación. Por respiración, en el sentido amplio o macroscópico, se entiende, la captación deoxígeno del ambiente por parte de un organismo multicelular y la consiguiente liberaciónde bióxido de carbono, pero los bioquímicos y biólogos celulares utilizan el término ensentido microscópico para referirse a los procesos moleculares involucrados en el consumode oxígeno y en la producción de bióxido de carbono por parte de las células. Para ser másprecisos, este último proceso puede denominarse respiración celular.La respiración celular se entiende como un proceso donde moléculas orgánicas se oxidancediendo sus electrones hasta un último aceptor de electrones (una molécula inorgánica), 6
  • 7. que a su vez se reduce. Cuando esta molécula es el oxígeno (O2), se habla de respiración +aerobia; y se reduce al captar los electrones de las sustancias que se oxidan, se une a los Hy se produce agua. Cuando el último aceptor de electrones no es el oxígeno (pueden sernitrato (NO3-), sulfato (SO42-), CO2, que se reducen respectivamente a nitrito (NO2-),sulfuro (S2-), o metano (CH4), se habla de respiración anaerobia. La respiración como proceso de catabolismo global, se puede resumir en tres etapas que se sintetizan en el esquema que aparece a continuación: Fase 1. Producción del Acetil-CoA; en esta fase, las moléculas de combustible orgánico (glucosa, ácidos grasos, y algunos aminoácidos) se oxidan para dar lugar a Acetil- CoA. Fase 2. Oxidación del Acetil-CoA; Estos grupos acetilo se incorporan al ciclo del ácido cítrico (ciclo de Krebs) donde son oxidados enzimáticamente hasta CO2. La energía liberada en esta oxidación se conserva en los portadores de electrones reducidos NADH y FADH2. Fase 3. Transferencia electrónica y fosforilación oxidativa; los coenzimas reducidos se oxidan, libreando a su vez + electrones y protones (H ). Enseguida se produce la transferencia de electrones liberados a lo largo de una cadena de moléculas transportadoras, conocida como cadena respiratoria, hacia el O2, que al reducirse se une a protones para formar agua. Durante este proceso de transferencia electrónica se liberauna gran cantidad de energía que se conserva en forma de ATP gracias al proceso defosforilación oxidativa. La respiración se expresa como la oxidación de la glucosa, de acuerdo a la reacción: C6H12O6 + 6 O2 +6 H20 → 6 CO2 + 12 H2O El cambio de energía libre es de 686 kcal por mol (180 g) de glucosa. A fin de evitarel daño celular (la incineración por la cantidad de calor generado), la energía es liberada enlas tres fases mencionadas anteriormente.La fermentación: es una modalidad de catabolismo caracterizada por la degradación demoléculas por un proceso de oxidación, diferenciándose de la respiración celular, por quetanto el dador como el aceptor final de electrones son moléculas orgánicas. Es un procesode degradación anaerobia de la glucosa u otros nutrientes orgánicos a diversos productosorgánicos (característicos de cada organismo, tales como lactato, etanol, etc.) para obtenerenergía en forma de ATP. Debido a que los primeros organismos vivos aparecieron en unaatmósfera con falta de oxígeno, la degradación anaeróbica de la glucosa, probablemente, es 7
  • 8. el mecanismo biológico más antiguo para obtener energía a partir de moléculas orgánicas.Diferencias entre respiración y fermentación:Fermentación:− El aceptor final de electrones del proceso oxidativo es una molécula orgánica.− Los productos finales son moléculas orgánicas (lactato, etanol, etc., según la célula), CO2y ATP, no hay degradación total de la molécula que se oxida, por lo que la energía liberadaes menor que en la respiración.− Sólo se produce ATP a nivel de sustrato (no se produce fosforilación oxidativa).− El proceso se lleva a cabo en condiciones anaerobias en el citosol, en procariotes y enalgunas células eucariotas (músculo, eritrocitos, etc.)Respiración:− El aceptor final de electrones es una molécula inorgánica. Si es el O2 se habla derespiración aerobia.− Hay degradación total de la molécula que se oxida, por lo que los productos son: CO2,H2O y ATP. La energía en forma de ATP que se libera es mayor que en un procesofermentativo.− El ATP que se sintetiza, además de producirse a nivel de sustrato, se produce en lacadena respiratoria mediante fosforilación oxidativa.− El proceso se completa en sus dos últimas fases en las mitocondrias (eucariotes) o en lamembrana citoplasmática (procariotes).2.3.1 ANALISIS DEL METABOLISMO ANAEROBIO. Cuando un organismo no necesita oxígeno para obtener energía se dice que tiene unmetabolismo anaerobio. Después de que una célula ha obtenido piruvato por medio de la glicólisis, enausencia de oxígeno llevará a cabo un proceso de FERMENTACIÓN. El término fermentación, en su acepción estricta, se refiere a la obtención de energíaen ausencia de oxígeno y generalmente lleva agregado el nombre del producto final de lareacción. Louis Pasteur la denominó "la vie sans lair" o "la vida sin aire". En la fermentación, el aceptor final de electrones, es una molécula orgánicaintracelular (lactato, etanol, acetato, formiato, entre otros). Los productos generados sonexcretados por las células. Las moléculas orgánicas se excretan en enormes cantidades dado que, en razón delbajo rendimiento, son necesarias muchas moléculas de glucosa para producir la energía quenecesita la célula. El "problema" con la fermentación es que, al usar moléculas orgánicascomo aceptores terminales de electrones y tener que eliminar como residuo al productoresultante (lactato, etanol, etc.), se pierde la energía potencial de esos compuestos. A diferencia de la respiración que depende de la disponibilidad de un receptorexterno de los electrones y que tan pronto como desaparece, la respiración cesa; lafermentación, donde el aceptor es interno (por ejemplo el piruvato) y es un producto deldesdoblamiento de la glucosa, el aceptor estará disponible en tanto exista alimento paraoxidar. 8
  • 9. Rutas fermentativas a partir de piruvato A continuación se citan algunos ejemplos de fermentaciones comunes:Fermentación Láctica: piruvato + NADH + H+→ ácido láctico + NAD+ Se produce en muchas bacterias (bacterias lácticas), también en algunos protozoos yen el músculo esquelético humano. Es responsable de la producción de productos lácteosacidificados: yogurt, quesos, cuajada, crema ácida, etc. El ácido láctico tiene excelentespropiedades conservantes de los alimentos.Fermentación alcohólica Dos reacciones sucesivas: 1.- piruvato → acetaldehído + CO2 9
  • 10. 2.- acetaldehído + NADH +H+ → etanol + NAD+ Se lo encuentra en levaduras, otros hongos y algunas bacterias. La fermentaciónalcohólica es la base de las siguientes aplicaciones en la alimentación humana: pan,cerveza, vino y otras.Fermentación acética Piruvato + ADP + FAD + H2O → Acetato + ATP + FADH2 + CO2 El proceso citado se presenta en condiciones anaerobias, por ejemplo en el rumen,donde hay formación de ácidos grasos, entre ellos el ácido acético que es producto debacterias. No confundir este proceso con la producción de vinagre, donde el ácido acéticose forma a partir de etanol bajo condiciones de aerobiosis.2.4 BIOSÍNTESIS DE METABOLITOS PRIMARIOS Y SECUNDARIOS Como resultado de los procesos metabólicos, los microorganismos sintetizanmetabolitos, los cuales resultan ser moléculas de interés comercial. Hay dos tiposfundamentales de productos metabólicos: primarios y secundarios. Un metabolito primario es el que se forma durante la fase primaria del crecimientodel microorganismo, mientras que un metabolito secundario es el que se forma cerca delfinal de la fase de crecimiento, frecuentemente cerca de, o en la fase estacionaria delcrecimiento. Diferentes tipos de relación entre crecimiento (X) y formación de producto (P). Figura de la izquierda comportamiento típico de un metabolito primario, figura de la derecha comportamiento típico de un metabolito durante una cinética microbiana2.4.1 Metabolito primario. Es el producto formado durante la fase primaria delcrecimiento, un ejemplo es el etanol. El etanol es un producto del metabolismo anóxico deSaccharomyces cerevisiae y de algunas bacterias, y se forma como parte del metabolismo 10
  • 11. de la energía. Debido a que el crecimiento sólo puede tener lugar si puede producirseenergía, la formación de etanol tiene lugar en paralelo con el crecimiento. Los metabolitos primarios son moléculas de bajo peso molecular que intervienen,bien como productos finales o intermediarios, en las distintas rutas anabólicas y catabólicas. Los más importantes desde el punto de vista industrial son los aminoácidos,nucleótidos, vitaminas, ácidos orgánicos y alcoholes.- Alcoholes: etanol- Aminoácidos: ácido glutámico, lisina, treonina- Nucleótidos: ácido 5 guanílico, ácido 5 inosínico- Acidos orgánicos: ácido acético, ácido propiónico, ácido succínico, ácido fumárico, ácidoláctico, ácido málico, ácido tartárico, ácido cítrico, ácido glucónico- Polioles: glicerol, manitol- Polisacáridos: xantano- Azúcares: fructosa, sorbosa- Vitaminas: riboflavina (B2), cianocobalamina (B12)2.4.2 Metabolitos secundarios. Un tipo más complejo de metabolito es aquel donde elproducto deseado no se produce durante la fase primaria del crecimiento, sino durante lafase estacionaria. Los metabolitos producidos durante la fase estacionaria se denominanmetabolitos secundarios, y son algunos de los metabolitos más comunes y másimportantes de interés industrial. Los más conocidos y más ampliamente estudiados son losantibióticos. Mientras que el metabolismo primario es generalmente similar en todas lascélulas, el metabolismo secundario presenta claras diferencias entre un organismo y otro. Las características reconocidas del metabolismo secundario son:a) Cada metabolito secundario sólo lo forman, relativamente, pocos organismos.b) Los metabolitos secundarios, aparentemente no son esenciales para el crecimiento y lareproducción. En estado natural, sus funciones se hallan ordenadas a la supervivencia de laespecie, pero cuando los microorganismos que los producen se desarrollan en cultivo purolos metabolitos secundarios no desempeñan esa misión.c) La formación de metabolitos secundarios es extremadamente dependiente de lascondiciones de crecimiento, especialmente de la composición del medio. Con frecuencia, seproduce la represión de la formación del metabolito secundario.d) La producción puede perderse fácilmente por mutación espontánea (degeneración de laraza), por lo que son muy importantes las técnicas de conservación de estosmicroorganismos.d) Con frecuencia, los metabolitos secundarios se producen como un grupo de estructurasestrechamente relacionadas. Por ejemplo, se ha visto que una sola cepa de una especie deStreptomyces produce 32 antibióticos distintos pero relacionados, del tipo antraciclina.e) Con frecuencia es posible obtener una espectacular superproducción de metabolitossecundarios, en tanto que los metabolitos primarios, ligados como están al metabolismoprimario, usualmente no se pueden sobreproducir de una manera tan espectacular. Los metabolitos secundarios mejor conocidos son los antibióticos, de los que se handescubierto más de 5000, cifra que aumenta a razón de una media aproximada de 300 poraño, aunque la mayoría carecen de utilidad pues son tóxicos para los organismos vivos.Aproximadamente el 75% de los antibióticos conocidos son producidos por actinomicetos. 11
  • 12. Algunas especies son excepcionales productores de antibióticos, por ejemplo Streptomycesgryseus produce al menos 40 antibióticos diferentes. En el metabolismo secundario, las dos fases distintas del metabolismo se denominantrofofase e idiofase. La trofofase es la fase de crecimiento (el prefijo trofos, significa"crecimiento") mientras que la fase de producción de metabolitos es la idiofase. Si estamostratando con un metabolito secundario debemos asegurar que durante la trofofase seproporcionen las condiciones apropiadas para un excelente crecimiento y que lascondiciones se alteren adecuadamente y en el momento oportuno para que la formación delproducto sea excelente. En el metabolismo secundario, la producción en cuestión puede noderivarse del sustrato primario del crecimiento, sino a partir de un producto que él mismoformó a partir del sustrato primario del crecimiento. Por tanto, el metabolito secundario seproduce, generalmente, a partir de varios productos intermedios que se acumulan, bien en elmedio de cultivo o bien en las células, durante el metabolismo primario. Una característicade los metabolitos secundarios es que las enzimas implicadas en la producción delmetabolito secundario están reguladas separadamente de las enzimas del metabolismoprimario. En algunos casos se han identificado inductores específicos de la producción demetabolitos secundarios. Pentosa (C5) Ácido kójico Metabolitos secundarios Glucosa (C6) Sacáridos Glucósidos aromáticos Tetrosa (C4)Aminoaácidos aromáticos Sikimato (C7) Triosa (C3) Serina (C3N) Glicocola (C3N) CO2 C1-pool Policétidos (nC2) Alanina (C3N) Piruvato (C3) Valina (C5N) CO2 CO2 Malonato (C3) Acetato (C2) Mevalonato (C6) Pirofosfato de isopentenilo (C5) Ácidos grasos (nC2) CO2 Terpenos/Esteroides (nC5)Metabolitossecundarios Oxalacetato (C4) Citrato (C6) Metabolitos CO2 secundarios CO2 a-cetoglutarato (C5) Ácido glutámico (C5N) Esquema de la relación de algunos metabolitos primarios y secundarios. El retraso en la formación de metabolitos secundarios es uno de los principalesmecanismos de los microorganismos par no verse afectado por el propio metabolito, porejemplo los microorganismos productores de antibióticos evitan el suicidio, puesto que alcomienzo de la fase logarítmica de crecimiento son sensibles a su propio antibiótico, para 12
  • 13. posteriormente, durante la idiofase, volverse resistentes al antibiótico que estánproduciendo. Glucosa Eritrosa Fosfoenol-piruvato Metabolito primario 3-Desoli-7-fosfo D-arabinoheptulosonato Metabolito secundario Ansamicina Rifamicina Ácido shikímico Piocianina Candicidina Ácido Nistatina Ácido corísmico Triptófano antranílico Cloranfenicol Actinomicina Nocardicina Ácido prefénico Polimixina Fenilalanina Tirosina Novobiocina Esquema de la relación de metabolitos primarios con la producción de antibióticos. Los factores que ponen en marcha la producción de metabolitos secundarios al finalde la trofofase no se conocen; únicamente se sabe que este mecanismo se disparanormalmente cuando algún nutriente del medio se ha agotado. En algunas ocasiones elnutriente responsable es una fuente de Carbono, en otras, sin embargo es el Nitrógeno o elFósforo. La explicación puede ser que al faltar nutrientes se alteren los metabolitosprimarios y se originen inductores de los enzimas encargados de la síntesis de losmetabolitos secundarios. Otra explicación puede ser que al faltar la fuente de Carbono cesala represión por catabolito, sintetizándose a partir de este momento los enzimas necesariospara la biosíntesis de estos metabolitos secundarios. Cualquiera que sea el mecanismo general por el que se dispara el metabolismosecundario al final de la trofofase, es un hecho que en este punto hay unos cambios muyfuertes en la composición enzimática de las células, apareciendo los enzimas que estánespecíficamente relacionados con la formación de metabolitos secundarios. Sin embargo, eindependientemente de este aspecto general del metabolismo secundario, se ha puesto demanifiesto la existencia de sistemas de regulación que juegan un papel importante en lasíntesis de determinados productos industriales. La biosíntesis de metabolitos secundarios se puede manejar, tanto con el medio decultivo como de las condiciones ambientales de fermentación, además de la incorporaciónde centenares de aditivos en los medios de cultivo que puedan actuar como posiblesprecursores del producto. Ocasionalmente se encuentra un precursor que incrementa de 13
  • 14. forma notable la producción de este metabolito secundario. El precursor puede inclusodirigir la síntesis de un determinado producto de entre varios que se producíananteriormente; es lo que se conoce como biosíntesis dirigida. Como ejemplos de precursores están el ácido fenilacético en el caso de laproducción de bencil penicilina; determinados aminoácidos específicos en la producción deactinomicinas y tirociclinas; ácidos benzoicos sustituidos en la formación de novobiocinas. En muchas fermentaciones, sin embargo, los precursores no muestran ningunaactividad. Esto es debido a que su síntesis por el microorganismo no es el factor limitantede la producción del metabolito secundario. En estos casos, la adición de aditivos harevelado efectos dramáticos, tanto estimuladores como inhibidores en la producción delmetabolito secundario por parte de una molécula no precursora. Este efecto se debenormalmente a la interacción de estos compuestos con los mecanismos reguladores delmicroorganismo productor. Precisamente, estudiando estos efectos se puso de manifiestoque los mecanismos reguladores de los microorganismos ejercen un efecto notable en laproducción de los metabolitos secundarios.2.5 BIOCONVERSIONES O BIOTRANSFORMACIONES. El término Bioconversión o biotransformación se refiere al uso de un organismovivo, a menudo un microorganismo, para llevar a cabo una reacción química que es mascostosa o no factible si no interviene un organismo. Los organismos transforman unasustancia (sustrato) a una forma química modificada (producto). Una aplicación industriales la producción de cortisona, donde un paso es la biotransformación de la progesterona en11-α-hidroxiprogesterona por Rhizopus nigricans. Otro ejemplo, es la hidrólisis enzimática de meteriales lignocelulósicos provenientesde residuos agrícolas, al mezclar con la enzima celulasa se producen carbohidratos, loscuales a su vez son fermentados para producir etanol. 14