Fisiologia i Metabolisme Bacterià: Transport i Secreció

Exemples de bacteris de grans dimensions

• Epulopiscium fishelsoni: Pot arribar a mesurar 500 μm. Aïllat de peixos, és un bacteri mòbil, flagel·lat i molt gran. Presenta una relació superfície/volum més petita, per la qual cosa ha desenvolupat molts replegaments per incrementar la superfície de la membrana.
• Thiomargarita namibiensis: És el bacteri més gran conegut, visible a l'ull humà. És quimiolitotròfic i oxida H2S. Conté molts grànuls de sofre elemental i utilitza el nitrat (i potser també l'O2) com a acceptor d'electrons.

Mecanismes de transport a la membrana

Difusió facilitada per permeases

El glicerol és una de les poques molècules que utilitza aquest mecanisme. La molècula transportadora està integrada a la membrana i, un cop el glicerol hi entra, pateix un canvi conformacional. Aquest procés és poc freqüent en procariotes.

Transport acoblat a gradient de protons

Podem parlar de simport o antiport. Un exemple és l’entrada de la lactosa mitjançant la seva permeasa. L’operó de la lactosa és induïble per la presència de lactosa i conté els gens de la permeasa i de la β-galactosidasa. La permeasa de la lactosa és un mecanisme de simport per protons (entra un protó i una molècula de lactosa). L’enzim E és el transportador i té dues conformacions:

• E1: Poca afinitat per la lactosa i el protó; els allibera.
• E2: Molta afinitat per la lactosa i el protó; s’hi uneix.

Transportadors ABC (ATP-Binding Cassette)

Són cassets d’unió a l’ATP situats a la cara interna de la membrana. Estan constituïts per tres components principals: una proteïna soluble al periplasma amb unió específica per un substrat, el canal de transport i el casset d’hidròlisi de l’ATP. Aquests sistemes també poden ser de sortida. En els bacteris grampositius, la proteïna soluble es troba unida a la part externa de la membrana per evitar que es perdi. Un exemple és el transport de la maltosa: aquesta entra per la membrana externa gràcies a la porina LamB (maltoporina) i, al periplasma, la proteïna MalE la dirigeix cap al transportador ABC.

Transport de translocació de grup (Sistema PTS)

Permet l’entrada en contra de gradient gràcies a la transformació de la molècula (normalment sucres). Està altament relacionat amb la diaúxia. Utilitza l’energia de l’enllaç d’alta energia del fosfoenolpiruvat (PEP), transferint el fòsfor a enzims específics per a cada sucre (glucosa, manosa, mannitol, etc.), anomenats sucres PTS.

Captació de ferro i sideròfors

El ferro és un element essencial però presenta reptes:

• És necessari a concentracions molt baixes (micromolar).
• Concentracions elevades són tòxiques perquè s’oxida fàcilment.
• El Fe2+ és soluble, però en presència d’oxigen i pH neutre s’oxida a Fe3+ (ió fèrric), que és insoluble i difícil de transportar.

Sideròfors: Són molècules sintetitzades i exportades pel bacteri en absència de ferro per captar Fe3+ de l’exterior. Un cop al periplasma, proteïnes com FepB transporten el complex cap a la membrana interna, on el ferro es redueix a Fe2+ per fer-lo soluble.

Mètodes de captació de ferro

1. Transportadors de Fe2+: Específics però poc abundants en ambients aeròbics.
2. Sideròfors: Sintetitzats per a la captació i posterior reducció del ferro.
3. Receptors de proteïnes de l’hoste: Capten lactoferrina o transferrina per "robar" el ferro.
4. Receptors de grups hemo (hemòfors): Incorporen el grup hemo sencer.
5. Bacterioferritina: Emmagatzematge de ferro soluble.
6. Proteïna Fur: Regula l’expressió gènica segons la disponibilitat de ferro.

Transport de cations: Potassi i Magnesi

Transport de potassi (K+)

• TrkG/TrkH/TrkA: Baixa afinitat, constitutiu.
• Kup: Baixa afinitat, constitutiu.
• KdpFABC: Alta afinitat, induïble per baixes concentracions. Utilitza un sistema de dos components (KdpD i KdpE) per activar la transcripció de l'operó.

Transport de magnesi (Mg2+)

• CorABCD: Constitutiu, permet l'entrada i sortida de magnesi i cobalt.
• MgtA i MgtB: Induïbles, són ATPases de tipus P que consumeixen energia.

Sistemes de secreció bacteriana

I. Secreció de tipus I

Secreció directa des del citoplasma a l’exterior sense passar pel periplasma. Formada per ABC, MFP i OMP. És independent de Sec. Exemple: Hemolisina d'E. coli.

II. Secreció de tipus II

Present en patògens de plantes i animals (ex. toxina colèrica). Depèn de la via Sec per arribar al periplasma, on la proteïna es plega abans de ser empesa a l'exterior per un mecanisme de pistó.

III. Secreció de tipus III

L'injectisoma permet passar proteïnes (factors de virulència) directament al citoplasma de la cèl·lula eucariota. És Sec-independent. Exemple: Salmonella i Yersinia.

IV. Secreció de tipus IV

Permet la transferència de proteïnes i ADN (ex. plasmidi Ti d'Agrobacterium tumefaciens). Té homologia amb el pili conjugatiu.

V. Secreció de tipus V (Autotransportadors)

Depenent de Sec. Inclou el model d'accessori simple i l'autotransport, on la mateixa proteïna forma el canal per on sortirà. Exemples: Antigen 43 i Toxina VacA.

VI. Secreció de tipus VI

Similar al tipus III, injecta efectors directament a l'hoste. L'estructura té homologies amb les cues dels bacteriòfags. La proteïna clau és la Hcp.

VII. Secreció de tipus VII

Pròpia de bacteris grampositius amb micomembrana (com Mycobacterium tuberculosis), que han de travessar una paret rica en àcids micòlics.

Metabolisme: Precursors i assimilació

Precursors metabòlics

• Glicòlisi: Glucosa-6P, Fructosa-6P, Trioses fosfat, 3-Fosfoglicerat, Piruvat, PEP.
• Pentoses fosfat: Ribosa-5P, Eritrosa-4P.
• Cicle de Krebs: Acetil-CoA, α-cetoglutarat, Succinil-CoA, Oxalacetat.

Gluconeogènesi

Utilitza enzims específics per a reaccions irreversibles: Piruvat carboxilasa, PEP carboxiquinasa, Fructosa bifosfatasa i Glucosa-6-fosfatasa.

Assimilació del nitrogen

L'amoni s'assimila per dues vies: la Glutamat deshidrogenasa (baixa afinitat) o el sistema Glutamina sintetasa / Glutamat sintasa (alta eficiència, consumeix ATP).

El nitrat requereix una reducció assimilatòria a amoníac. En bacteris entèrics, la nitrat reductasa s'inhibeix en presència d'oxigen. La fixació de nitrogen atmosfèric (N2) és exclusiva de procariotes i consumeix molta energia (16 ATP).

Biosíntesi d'aminoàcids

• Oxalacetat → Aspartat, Metionina, Asparagina, Treonina, Isoleucina, Lisina.
• α-cetoglutarat → Glutamat, Glutamina, Prolina, Arginina.
• PEP + Eritrosa-4P → Tirosina, Triptòfan, Fenilalanina.
• Piruvat → Alanina, Valina, Leucina.
• Ribosa-5P → Histidina.
• 3-fosfoglicerat → Serina, Cisteïna, Glicina.

Producció d'energia i fermentació

Fosforilació a nivell de substrat

1. Deshidrogenació: Oxidació del gliceraldehid-3-P.
2. Deshidratació: Formació d'enllaços rics en energia (ex. PEP).
3. Transacetilació: Substitució de S-CoA per fòsfor.
4. Enolasa i cinasa: Conversió de 2-fosfoglicerat a PEP per generar ATP.

Vies de fermentació

Fermentació àcid-mixta: Produeix succínic, lactat, fòrmic, etanol i acètic (aquest últim és el que genera més ATP).

Les vies ramificades permeten utilitzar substrats amb diferents nivells redox, mantenint l'equilibri entre substrats i productes. La fermentació homolàctica produeix principalment lactat.