TEMA 2. CONTROL BIOQUIMICO DE LOS MICROORGANISMOS PRODUCTORES

OBJETIVOS 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 procesos fisicoquímicos que ocurren en una célula, que están relacionados con las diversas actividades que efectúa un organismo: crecimiento, reproducción, mantenimiento y reparación 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 y catabolismo.

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Donde por ANABOLISMO se entiende aquella etapa donde se lleva a cabo la

síntesis de macromoléculas para diversas funciones y estructuras celulares, a partir de moléculas sencillas (monómeros), es necesaria la utilización de energía.

Mientras el CATABOLISMO es aquella etapa donde existe la disgregación y oxidación de las biomoléculas, con su consecuente destrucción, obteniéndose energía en forma 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 una

primera reacción la energía liberada por medio de una reacción exergónica produce la síntesis de ATP, mientras en una segunda reacción, de naturaleza endergónica que requiere energía se produce la hidrólisis del ATP.

Cada reacción acoplada es catalizada por una enzima específica que coloca a las moléculas en los canales de energía de ATP de manera adecuada.

Las células guardan energía en ciertas moléculas, la principal es el ATP (adenosin trifosfato). Funciona como una MONEDA ENERGÉTICA.

La función del ATP es suministrar energía hidrolizándose a ADP y Pi. Esta energía puede 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)

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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) se

debe 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 reacciones enzimáticas que permiten la transformación de un sustrato a uno o varios productos mediante 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 todos son transformados a glucosa mediante una serie de numerosísimas oxidaciones graduales,

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reguladas enzimáticamente, al cabo de las cuales el oxígeno atmosférico (ingresado por respiración pulmonar) se une a los átomos de hidrógeno de las citadas moléculas para formar agua. En cada oxidación se liberan gradualmente pequeñas porciones de energía que son capturadas para formar el ATP. Si las oxidaciones no fueran graduales, la energía se liberaría de manera violenta y se dispersaría como calor.

En el proceso de obtener energía a partir de la glucosa hay tres procesos metabólicos: 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 las reacciones 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 de oxidación y reducción, en las que unos compuestos se oxidan a expensas de otros que se reducen. En estas reacciones intervienen principalmente enzimas del grupo de las deshidrogenasas que utilizan como coenzimas el NAD (nicotinamida adenín dinucleótido), y el FAD (flavín adenín dinucleótido). La oxidación que se lleva a cabo en las reacciones de catabolismo, consiste en una pérdida de electrones que en muchos casos está asociada a la pérdida de protones.

La sustancia que se oxida, pierde electrones y al mismo tiempo pierde protones. La sustancia 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 solamente

cuando intercambia e- sino también cuando intercambia átomos de hidrógeno (no iones H), 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 intervienen dos moléculas intermediarias: NAD y FAD (cofactores redox). NAD: nicotinamida adenina dinucleótido. NAD+ en su forma oxidada y NADH + H+ su forma reducida.

La concentración de NAD+ en la célula es pequeña; por lo tanto debe reciclarse continuamente 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 al NAD.

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FAD: flavina adenina dinucleótido. Transporta 2H, por lo que es FAD en su forma oxidada y FADH2 cuando está reducido. Otros cofactores Redox:

• Ubiquinona (Coenzima Q) -- transporta 2H • Grupo Hemo (en los citocromos) -- transporta un electrón

4.2 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 su versatilidad metabólica para obtener energía (por ejemplo las células de animales). Todos los mecanismos posibles de obtención de materia y energía podemos encontrarlos en las bacterias. 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 fuente de carbono es materia orgánica. Respecto a la obtención de energía (principalmente ATP), la cual se capta de alguna fuente de energía externa del medio ambiente, se tienen los siguientes tipos de metabolismo energético: 1) Energía procedente de radiaciones (en los cuantos de una determinada longitud de onda de la luz visible): organimos fotótrofos, que pueden ser a) 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 de óxido-reducción: organismos quimiótrofos, que pueden ser a) Quimiolitótrofos: captación de energía química a partir de sustancias inorgánicas. En el caso de las bacterias existen diferentes grupos fisiológicos de acuerdo al compuesto inorgánico 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 quimioorganótrofas respiradoras. Los electrones extraídos del donador exógeno (en este caso inorgánico) pasan a 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 potencial de oxidación E0

' menor que el del NADH, por lo que la oxidación de estos donadores inorgánicos sólo puede generar energía, pero no poder reductor de modo directo. Para obtener poder reductor emplean transporte inverso de electrones: parte del gradiente electroquímico creado se emplea en hacer que electrones viajen por la cadena del transporte de 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.

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En los organismos quimiótrofos, la captación de energía consiste esencialmente en la oxidación de un sustrato reducido (orgánico en quimiorganotrofos e inorgánico en quimiolitotrofos) con una redución concomitante de un aceptor de electrones (que a su vez puede ser orgánico o inorgánico), y todo ello acoplado a un sistema de fosforilación del ADP, 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 procesos de 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 de llegar al aceptor final (molécula aceptora final de hidrógenos) son captados por los transportadores de hidrógenos (NAD, NADP, FAD, coenzimas de las deshidrogenadas), que a su vez se reducen a NADH, NADPH y FADH2. Cuando estos se oxidan, ceden electrones y protones. Los electrones son transportados por un conjunto de moléculas transportadoras, los citocromos, cuyo conjunto de moléculas constituye la denominada cadena respiratoria, hasta el aceptor final de electrones (oxígeno, cuando el metabolismo es aerobio) que al unirse a los protones forma agua (H2O). Durante este último proceso, la transferencia de electrones libera gran cantidad de energía que se acumula en forma de ATP en el proceso denominado fosforilación oxidativa.

Existen dos modalidades básicas de catabolismo de la glucosa: la respiración y la fermentación.

Por respiración, en el sentido amplio o macroscópico, se entiende, la captación de

oxígeno del ambiente por parte de un organismo multicelular y la consiguiente liberación de bióxido de carbono, pero los bioquímicos y biólogos celulares utilizan el término en sentido microscópico para referirse a los procesos moleculares involucrados en el consumo de oxígeno y en la producción de bióxido de carbono por parte de las células. Para ser más precisos, este último proceso puede denominarse respiración celular. La respiración celular se entiende como un proceso donde moléculas orgánicas se oxidan cediendo sus electrones hasta un último aceptor de electrones (una molécula inorgánica),

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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 H

+

y se produce agua. Cuando el último aceptor de electrones no es el oxígeno (pueden ser nitrato (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-

oA.

de electrones reducidos

e ATP gracias al proceso de sforilación oxidativa.

La respiración se acuerdo a la reacción:

dad de calor generado), la energía es liberada en s tres fases mencionadas anteriormente.

C 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 portadoresNADH 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 libera

una gran cantidad de energía que se conserva en forma dfo

expresa como la oxidación de la glucosa, deC6H12O6 + 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 evitar el daño celular (la incineración por la cantila La fermentación: es una modalidad de catabolismo caracterizada por la degradación de moléculas por un proceso de oxidación, diferenciándose de la respiración celular, por que tanto el dador como el aceptor final de electrones son moléculas orgánicas. Es un proceso de degradación anaerobia de la glucosa u otros nutrientes orgánicos a diversos productos orgánicos (característicos de cada organismo, tales como lactato, etanol, etc.) para obtener energía en forma de ATP. Debido a que los primeros organismos vivos aparecieron en una atmósfera con falta de oxígeno, la degradación anaeróbica de la glucosa, probablemente, es

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el mecanismo biológico más antiguo para obtener energía a partir de moléculas orgánicas.

respiración y fermentación: Diferencias entreFermentación: − El aceptor final de electrones del proceso oxidativo es una molécula orgánica. − Los productos finales son moléculas orgánicas (lactato, etanol, etc., según la célula), CO2 y ATP, no hay degradación total de la molécula que se oxida, por lo que la energía liberada

as en el citosol, en procariotes y en lgunas células eucariotas (músculo, eritrocitos, etc.)

es 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 anaerobia Respiración: − El aceptor final de electrones es una molécula inorgánica. Si es el O2 se habla de

a energía en forma de ATP que se libera es mayor que en un proceso

nivel de sustrato, se produce en la

mas fases en las mitocondrias (eucariotes) o en la embrana citoplasmática (procariotes).

smo no necesita oxígeno para obtener energía se dice que tiene un etabo

de la glicólisis, en ausenc

ia de oxígeno y generalmente lleva agregado el nombre del producto final de la reacció

, acetato, formiato, entre otros). Los productos generados son excreta

producto resulta

miento de la glucosa, el aceptor estará disponible en tanto exista alimento para oxidar.

respiración aerobia. − Hay degradación total de la molécula que se oxida, por lo que los productos son: CO2, H2O y ATP. Lfermentativo. − El ATP que se sintetiza, además de producirse acadena respiratoria mediante fosforilación oxidativa. − El proceso se completa en sus dos últim 2.3.1 ANALISIS DEL METABOLISMO ANAEROBIO. Cuando un organim lismo anaerobio. Después de que una célula ha obtenido piruvato por medio

ia de oxígeno llevará a cabo un proceso de FERMENTACIÓN. El término fermentación, en su acepción estricta, se refiere a la obtención de energía

en ausencn. Louis Pasteur la denominó "la vie sans l'air" o "la vida sin aire".

En la fermentación, el aceptor final de electrones, es una molécula orgánica intracelular (lactato, etanol

dos por las células. Las moléculas orgánicas se excretan en enormes cantidades dado que, en razón del

bajo rendimiento, son necesarias muchas moléculas de glucosa para producir la energía que necesita la célula. El "problema" con la fermentación es que, al usar moléculas orgánicas como aceptores terminales de electrones y tener que eliminar como residuo al

nte (lactato, etanol, etc.), se pierde la energía potencial de esos compuestos. A diferencia de la respiración que depende de la disponibilidad de un receptor

externo de los electrones y que tan pronto como desaparece, la respiración cesa; la fermentación, donde el aceptor es interno (por ejemplo el piruvato) y es un producto del desdobla

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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 y en el músculo esquelético humano. Es responsable de la producción de productos lácteos acidificados: yogurt, quesos, cuajada, crema ácida, etc. El ácido láctico tiene excelentes propiedades conservantes de los alimentos.

Fermentación alcohólica Dos reacciones sucesivas: 1.- piruvato → acetaldehído + CO2

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2.- acetaldehído + NADH +H+ → etanol + NAD+ Se lo encuentra en levaduras, otros hongos y algunas bacterias. La fermentación

alcohólica 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 + CO2El 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 de bacterias. No confundir este proceso con la producción de vinagre, donde el ácido acético se 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 sintetizan

metabolitos, los cuales resultan ser moléculas de interés comercial. Hay dos tipos fundamentales de productos metabólicos: primarios y secundarios.

Un metabolito primario es el que se forma durante la fase primaria del crecimiento del microorganismo, mientras que un metabolito secundario es el que se forma cerca del final de la fase de crecimiento, frecuentemente cerca de, o en la fase estacionaria del crecimiento.

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 microbiana

2.4.1 Metabolito primario. Es el producto formado durante la fase primaria del crecimiento, un ejemplo es el etanol. El etanol es un producto del metabolismo anóxico de Saccharomyces cerevisiae y de algunas bacterias, y se forma como parte del metabolismo

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de la energía. Debido a que el crecimiento sólo puede tener lugar si puede producirse energía, 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, ácido láctico, 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 el producto deseado no se produce durante la fase primaria del crecimiento, sino durante la fase estacionaria. Los metabolitos producidos durante la fase estacionaria se denominan metabolitos secundarios, y son algunos de los metabolitos más comunes y más importantes de interés industrial. Los más conocidos y más ampliamente estudiados son los antibióticos. Mientras que el metabolismo primario es generalmente similar en todas las células, 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 la reproducción. En estado natural, sus funciones se hallan ordenadas a la supervivencia de la especie, pero cuando los microorganismos que los producen se desarrollan en cultivo puro los metabolitos secundarios no desempeñan esa misión. c) La formación de metabolitos secundarios es extremadamente dependiente de las condiciones de crecimiento, especialmente de la composición del medio. Con frecuencia, se produce la represión de la formación del metabolito secundario. d) La producción puede perderse fácilmente por mutación espontánea (degeneración de la raza), por lo que son muy importantes las técnicas de conservación de estos microorganismos. d) Con frecuencia, los metabolitos secundarios se producen como un grupo de estructuras estrechamente relacionadas. Por ejemplo, se ha visto que una sola cepa de una especie de Streptomyces produce 32 antibióticos distintos pero relacionados, del tipo antraciclina. e) Con frecuencia es posible obtener una espectacular superproducción de metabolitos secundarios, en tanto que los metabolitos primarios, ligados como están al metabolismo primario, usualmente no se pueden sobreproducir de una manera tan espectacular.

Los metabolitos secundarios mejor conocidos son los antibióticos, de los que se han descubierto más de 5000, cifra que aumenta a razón de una media aproximada de 300 por año, aunque la mayoría carecen de utilidad pues son tóxicos para los organismos vivos. Aproximadamente el 75% de los antibióticos conocidos son producidos por actinomicetos.

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Algunas especies son excepcionales productores de antibióticos, por ejemplo Streptomyces gryseus produce al menos 40 antibióticos diferentes. En el metabolismo secundario, las dos fases distintas del metabolismo se denominan trofofase 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 estamos tratando con un metabolito secundario debemos asegurar que durante la trofofase se proporcionen las condiciones apropiadas para un excelente crecimiento y que las condiciones se alteren adecuadamente y en el momento oportuno para que la formación del producto sea excelente. En el metabolismo secundario, la producción en cuestión puede no derivarse del sustrato primario del crecimiento, sino a partir de un producto que él mismo formó a partir del sustrato primario del crecimiento. Por tanto, el metabolito secundario se produce, generalmente, a partir de varios productos intermedios que se acumulan, bien en el medio de cultivo o bien en las células, durante el metabolismo primario. Una característica de los metabolitos secundarios es que las enzimas implicadas en la producción del metabolito secundario están reguladas separadamente de las enzimas del metabolismo primario. En algunos casos se han identificado inductores específicos de la producción de metabolitos secundarios.

Glucosa (C6)

Triosa (C3)

Piruvato (C3)

Acetato (C2)

Pentosa (C5)

Citrato (C6)

a-cetoglutarato (C5)

Oxalacetato (C4)

CO2CO2

Tetrosa (C4)

Ácido glutámico (C5N)

Sikimato (C7)

Metabolitos secundariosaromáticos

Aminoaácidos aromáticos

Alanina (C3N)

Malonato (C3)

CO2

CO2

Policétidos (nC2)

Ácidos grasos (nC2)

Metabolitossecundarios

Metabolitossecundarios

CO2

Ácido kójicoSacáridosGlucósidos

Serina (C3N)

Esquema de la relación de algunos metabolitos primarios y secundarios.

El retraso en la formación de metabolitos secundarios es uno de los principales

mecanismos de los microorganismos par no verse afectado por el propio metabolito, por ejemplo los microorganismos productores de antibióticos evitan el suicidio, puesto que al comienzo de la fase logarítmica de crecimiento son sensibles a su propio antibiótico, para

Mevalonato (C6) Pirofosfato de isopentenilo (C5)

CO2

Terpenos/Esteroides (nC5)

Valina (C5N)

Glicocola (C3N)

C1-pool

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posteriormente, durante la idiofase, volverse resistentes al antibiótico que están produciendo.

Esquema de la relación de metabolitos primarios con la producción de antibióticos.

Glucosa

Eritrosa Fosfoenol-piruvato

3-Desoli-7-fosfoD-arabinoheptulosonato

Ácido shikímico

Ácido corísmico

Ácido prefénico

Ácidoantranílico

CandicidinaNistatina

Cloranfenicol

AnsamicinaRifamicina

Nocardicina

FenilalaninaPolimixina Tirosina Novobiocina

Triptófano

Actinomicina

Piocianina

Metabolitoprimario

Metabolitosecundario

Los factores que ponen en marcha la producción de metabolitos secundarios al final

de la trofofase no se conocen; únicamente se sabe que este mecanismo se dispara normalmente cuando algún nutriente del medio se ha agotado. En algunas ocasiones el nutriente responsable es una fuente de Carbono, en otras, sin embargo es el Nitrógeno o el Fósforo. La explicación puede ser que al faltar nutrientes se alteren los metabolitos primarios y se originen inductores de los enzimas encargados de la síntesis de los metabolitos secundarios. Otra explicación puede ser que al faltar la fuente de Carbono cesa la represión por catabolito, sintetizándose a partir de este momento los enzimas necesarios para la biosíntesis de estos metabolitos secundarios.

Cualquiera que sea el mecanismo general por el que se dispara el metabolismo secundario al final de la trofofase, es un hecho que en este punto hay unos cambios muy fuertes en la composición enzimática de las células, apareciendo los enzimas que están específicamente relacionados con la formación de metabolitos secundarios. Sin embargo, e independientemente de este aspecto general del metabolismo secundario, se ha puesto de manifiesto la existencia de sistemas de regulación que juegan un papel importante en la síntesis de determinados productos industriales.

La biosíntesis de metabolitos secundarios se puede manejar, tanto con el medio de cultivo como de las condiciones ambientales de fermentación, además de la incorporación de centenares de aditivos en los medios de cultivo que puedan actuar como posibles precursores del producto. Ocasionalmente se encuentra un precursor que incrementa de

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forma notable la producción de este metabolito secundario. El precursor puede incluso dirigir la síntesis de un determinado producto de entre varios que se producían anteriormente; es lo que se conoce como biosíntesis dirigida.

Como ejemplos de precursores están el ácido fenilacético en el caso de la producción de bencil penicilina; determinados aminoácidos específicos en la producción de actinomicinas y tirociclinas; ácidos benzoicos sustituidos en la formación de novobiocinas.

En muchas fermentaciones, sin embargo, los precursores no muestran ninguna actividad. Esto es debido a que su síntesis por el microorganismo no es el factor limitante de la producción del metabolito secundario. En estos casos, la adición de aditivos ha revelado efectos dramáticos, tanto estimuladores como inhibidores en la producción del metabolito secundario por parte de una molécula no precursora. Este efecto se debe normalmente a la interacción de estos compuestos con los mecanismos reguladores del microorganismo productor. Precisamente, estudiando estos efectos se puso de manifiesto que los mecanismos reguladores de los microorganismos ejercen un efecto notable en la producción de los metabolitos secundarios. 2.5 BIOCONVERSIONES O BIOTRANSFORMACIONES.

El término Bioconversión o biotransformación se refiere al uso de un organismo vivo, a menudo un microorganismo, para llevar a cabo una reacción química que es mas costosa o no factible si no interviene un organismo. Los organismos transforman una sustancia (sustrato) a una forma química modificada (producto). Una aplicación industrial es la producción de cortisona, donde un paso es la biotransformación de la progesterona en 11-α-hidroxiprogesterona por Rhizopus nigricans.

Otro ejemplo, es la hidrólisis enzimática de meteriales lignocelulósicos provenientes de residuos agrícolas, al mezclar con la enzima celulasa se producen carbohidratos, los cuales a su vez son fermentados para producir etanol.

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