FOSFORILACIÓN
A NIVEL DE SUSTRATO. FERMENTACIONES
La fosforilación a nivel de sustrato es un
sistema usado por ciertas bacterias quimiorganotrofas. El
sustrato orgánico (donador de electrones) pasa por una ruta
catabólica (p.ej., la ruta glucolítica), y uno de los
intermediarios de esa ruta es oxidado por un coenzima (p. ej., NAD+), de manera
que se origina un intermediario no fosforilado con una gran energía de
hidrólisis. Dicho intermediario experimenta enseguida una sustitución con un fosfato, para dar la correspondiente forma acil-fosfato
(siendo este enlace de alta energía). Finalmente, este
acil-fosfato dona su fosfato de alta energía al ADP, que pasa a ATP. Ejemplo:
gliceraldehido-3-P ïƒ -difosfoglicérico ïƒ 3-fosfoglicérico.Ejemplo:
La
fosforilación a nivel de sustrato está acoplada a un proceso metabólico
denominado fermentación. Durante la fermentación, el sustrato orgánico
reducido (DH2) es catabolizado, de modo que como acabamos de
ver, se produce ATP. Este catabolismo genera, además:
equivalentes de reducción (en forma de
NADH y otros cofactores reducidos), e
intermediarios oxidados de la ruta
catabólica.
Pues
bien, es característico de las fermentaciones que los equivalentes de reducción
reaccionen con uno de esos intermediarios (A), que de este modo se reduce a
AH2 (producto de la fermentación),regenerándose
el cofactor en forma oxidada (NAD+) para el siguiente ciclo. Ejemplo:
la reducción del pirúvico
a láctico (este es el producto de la fermentación) permite la regeneración del cofactor
oxidado (NAD+):
Observa
que, a diferencia de la respiración (en la que el aceptor final de electrones
es exógeno) en la fermentación el aceptor de electrones (A) es un compuesto
orgánico endógeno producido en la misma ruta de fermentación. El
rendimiento de las fermentaciones, expresado como variación de
energía libre, es bajo, debido a la poca diferencia de E’0 entre el
donador y el aceptor. En la fermentación homoláctica se
producen 2 moles de ATP por cada mol de glucosa consumido (frente a los 28
moles de ATP/mol de glucosa en la respiración aerobia). Esto significa
que para que el microorganismo crezca en estas condiciones, degrada grandes
cantidades de sustrato fermentable.En las fermentaciones el sustrato orgánico
se oxida parcialmente, de modo que parte del C se excreta como
producto de fermentación y parte se usa para las reacciones
biosintéticas.
Las fermentaciones se dan en determinados microorganismos
quimiorganotrofos, que pueden ser anaerobios obligados o anaerobios
facultativos (cuando crecen en ausencia de O2).
Hay una gran variedad de fermentaciones microbianas, y cada tipo
libera uno o varios productos de fermentación característicos. Algunos
ejemplos:
Tipo de fermentación Producto(s)
Fermentación láctica Lactato
Fermentación alcohólica etanol, CO2
Fermentación ácida-mixta etanol,
succinato, acetato, formiato, lactato,CO2, H2
Fermentación butilénglicólica butilénglicol, CO2
Fermentación aceto-butírica acetato,
acetona, butirato, butanol, etanol, CO2, H2
Como ya dijimos, la fosforilación a nivel de sustrato suele ir acoplada a algún
tipo de fermentación, pero a la inversa no tiene por qué ser así, lo cual viene
a remarcar la ya citada no identidad de ambos conceptos. Algunas
bacterias especializadas realizan algún tipo de fermentación sin fosforilación
a nivel de sustrato. Por ejemplo, Propionigenium
modestum lleva a cabo la siguiente fermentación
Succinato + H2O ïƒ propionato + HCO3- (ΔG0’ =
-20,5 kJ)
La energía libre generada es insuficiente para acoplarla directamente a la
síntesis de ATP por fosforilación a nivel de sustrato, y por otro lado esta
bacteria carece de cadenas de electrones respiradoras. Entonces,
scómo obtiene la energía? Esto se logra porque la descarboxilasa de
membrana que realiza la anterior reacción acopla la descarboxilación del
succinato a la salida de iones Na+, con lo que se crea un gradiente
electroquímico de Na+. La disipación parcial de dicho gradiente a través de
ATP-sintasas de membrana dependientes de
Na+ impulsa la síntesis de ATP.
