Download Regulación de metabolismo de carbono en bacterias Gram negativas.

Los microorganismos
 Versatilidad metabólica
 Utilizan muchas fuertes diferentes de carbono
 Se adaptan continuamente a los cambios del medio
 Compiten con otros por nutrientes limitantes
Bacteria
 Tiene sensores que monitorean su alrededor
 Pueden encender y apagar la utilización de un gran
número de fuentes de carbono.
 Sienten gradientes de concentración de nutrientes.
 Se adaptan a cambos de fuerza osmótica, estrés,
nutrientes, oxígeno (o falta de) y limitación de nutrientes.
Sistema PEP-PTS
 Sistema involucrado en:
 el transporte y la fosforilación de un gran
número de carbohidratos,
 movimiento hacia estas fuentes de
carbono (quimiotáxis) y
 regulación de muchas rutas metabólicas
Componentes del sistema
Fosfoenolpiruvato (in) + Carbohidrato (out)
Piruvato (in) + Carbohidrato-P (in)
Sistema fosfotransferasa (PTS).
 Energía libre de hidrólis (DG°’) del gupo fosfato del PEP
es -14.7 kcal/mol (-61.5 kJ/mol)
 La de un grupo fosfato de un carbohidrato tipico es de -3
kcal/mol (-12.5 kJ/mol).
 Desperdicio?????
Funciones del PTS
 Translocación y
 fosforilación de sustratos
Energética de la PTS
 PEP es equivalente al ATP como moneda
energética en la célula
 Una molécula de ATP se forma a partir de una de
PEP durante la glucólisis por la piruvato cinasa.
 Por carbohidratos que se acumulan por un
sistema no-PTS se gastan más de un equivalente
de ATP por unidad de monosacárido.
 Uno para el transporte y otro para la fosforilación
por ATP
Reacciones del sistema PTS
Proteínas del sistema PTS
 La enzima I (EI) y HPr son proteínas solubles y
citoplásmicas
 Participan en la fosforilación de los carbohidratos
transportados por PTS (proteínas generales del PTS).
 Las enzimas II (Ells) son específicas para cada
carbohidrato y pueden ser:
 Una proteína sencilla unida a la membrana que tiene 3 dominios
(A, B, y C), como para el manitol.
 Dos o más proteínas en la que al menos una es membranal (e.g., B
y C) y una es soluble (IIA o enzima III [EIII]) como la IICBGlc_IIAGlc
para glucosa en E. coli
Proteína Hpr
 Hpr por Histidine protein (proteína de histidina)
 Proteína pequeña monomérica de 9,000 a 10,000 Da
excepto cuando hace un dominio con la fosofotransferasa
específica del carbohidrato como FPr de S. typhimurium.
 Se fosforila en una histidina conservada por la P-EI
(residuo de histidina 15 en E. coli).
 La fosforila P-EI en la posición N-1 de un residuo de
histidina (His-15 en E. coli HPr),
 Todas las HPrs secuenciadas o de aquellas que se ha
deducido la secuencia tienen este residuo y su entorno
altamente conservado.
<
<
Organización del operón PTS
CRP : factor positivo de transcripción
œ
El modelo muestra a
una célula bajo dos
condiciones:
1,
en
presencia de una fuente
de carbón represiva
(fondo blanco), y 2, en
ausencia de la fuente
represiva de carbón
(fondo gris).
Lactosa
maltosa
Fuente de carbono
represora
Exclusión
del inductor
CCW
GK
FM
GP
CheY/A
BglG, proteína antitermidadora
del operón -glucósido
CAP, proteína activadora por
catabolito
CCW, rotar en contra de las
manecillas del reloj
CheY/A,
proteínas
de
quimiotaxis
Cya, adenilato ciclasa
EI, enzima fosfotransferasa I
del sistema PTS
FM, motor del flagelo
GK, glicerol cinasa
GP, glicógeno fosforilasa
Hpr, fosfotransferasa del PTS
con histidina
ATP
IIAGlc
PEP
P
IIAGlc
+
HPr P +
EI P
Piruvato
+
BglG
Cya
cAMP
CAP
+
CCR global
Regulación del carbono por catabolito en bacterias
entéricas Gram negativas.
El esquema muestra una bacteria
bajo dos condiciones: 1, en presencia
de una fuente de carbono represora
(fondo blanco), y 2, en ausencia de la
misma fuente (fondo gris).
Fosforilación flechas sólidas
Fuente de carbono
represora
SacT
CW
GK
Exclusión
del inductor
+
P-his- Hpr
(vuelta)
Hpr
FBP
HPrK/P
CheY/A
CcpA, proteína de control por catabolito
CheY/A, proteína de quimiotéxis
cre, elemento que responde al catabolito
CW, a favor de las manecillas del reloj
EI, enzima I del sistema PTS
FM, motor del flajelo
FBP, fructose-1,6-bifosfato
GK, glicerol cinasa
HPr, fosfotransferasa del sistema PTS que
contiene histidina
HPrK/P, HPr cinasa/fosfatasa
SacT, proteína antiterminadora del operon
de sacarosa
galactosa
maltosa
ATP
P
PEP
EI
Piruvato
ADP
HPr
-ser-P
CcpA
-/+
cre
CCR/CCA
global
Regulación por catabolito en bacterias Gram
positivas con bajo contenido de GC
Domain structure of the transcription antiterminator
LicT and the transcription activators LicR and LevR of
B. Subtilis.
 cAMP-independent mechanisms of catabolite repression
were operative in E. coli (7, 15).
 the mechanisms of catabolite repression in evolutionarily
divergent bacteria are not the same (17, 37, 38).
 The catabolite repressor/activator (Cra) protein of
enteric bacteria was initially characterized as the
fructose repressor, FruR.
 Mutants defective in the cra gene (previously
designated fruR) exhibited a pleiotropic
phenotype, being unable to grow with
gluconeogenic substrates as the sole carbon
source (5, 13).
 the cra gene controlled the transcriptional expression of
numerous genes concerned with carbon and energy
metabolism (4, 12, 14, 39).
 Cra protein, a member of the LacI-GalR family, recognizes
an imperfect palindromic DNA sequence to which it binds
asymmetrically.
2 modos de acción de Cra
 If this Cra operator precedes the RNA polymerase binding
site, it activates transcription of the downstream operon,
but if it overlaps or follows the RNA polymerase binding
site, it represses transcription.
 The effects of Cra on transcription are counteracted by
micromolar concentrations of fructose-1-phosphate and
millimolar concentrations of fructose-1,6-bisphosphate,
which promote catabolite repression of Cra-activated
operons and catabolite activation of Cra-repressed
operons.
 Cra apparently controls the direction of carbon flow in E.
coli and consequently influences the rates of utilization of
dozens of exogenous carbon sources.
CENTRAL IMPORTANCE OF THE FRUCTOSE-SPECIFIC
PHOSPHOTRANSFERASE SYSTEM (PTS)
 Fructose has important in the early evolution of
carbohydrate metabolic pathways in bacteria.
1. Fructose is the only sugar that feeds directly into
the centrally important Embden- Meyerhof
glycolytic pathway without isomerization or
epimerization.
2. The metabolism of fructose can be initiated by
two distinct routes, and in E. coli both routes are
mediated by the phosphotransferase system
(PTS) (Fig. 1).
The sequence of phosphoryl transfer events in the PTScatalyzed phosphorylation of fructose in E. coli. PEP,
CENTRAL IMPORTANCE OF THE FRUCTOSE-SPECIFIC
PHOSPHOTRANSFERASE SYSTEM (PTS)
3. The fructose PTS of E. coli is unique in possessing
its own HPr-like protein domain, FPr, encoded
within the fructose (fru) catabolic operon.
4. Bacteria in many evolutionarily divergent genera
(e.g., Azospirillum, Fusobacterium, Lactobacillus,
Listeria,
Pseudomonas,
Rhodobacter,
Streptomyces, etc.) possess the high-affinity
fructose-specific PTS, but they apparently
cannot phosphorylate other sugars via the PTS
(16, 22, 23, 32, 33, 42, 44).
5. in Haemophilus influenzae, the first bacterium for
which a completely sequenced genome became
available (10), genes only for a fructose-specific
PTS permease are found.
6. In E. coli three silent gene clusters (designated frv,
frw, and frx) uniquely encode silent “backup”
fructose PTSs of unknown physiological function
(31).

Finally, the fru operon of enteric bacteria is regulated at
the transcriptional level primarily by Cra, although the
cAMP-CRP complex plays a secondary role (9).
ISOLATION AND PROPERTIES OF cra
MUTANTS
 First isolated by selecting for strains that
synthesized the protein products of the fructose
(fru) catabolic operon at high constitutive levels.
 ptsH mutants of E. coli and Salmonella
typhimurium lack the small phosphocarrier protein
of the PTS, HPr, and consequently cannot utilize
most PTS sugars (glucose, mannitol, N-acetyl
glucosamine, etc.).
Función de Csr (carbon storage
Esto se lleva al
cabo usando una
regulator)
proteína pequeña
que se une a
RNA, CsrA, que
reconoce y se une
específicamente
a mRNAs, en vez
de a secuencias
específicas de
DNA.