Actualizado el miércoles, 15 febrero 2006
1 NOCIONES GENERALES SOBRE EL METABOLISMO ENERGÉTICO BACTERIANO
2 CAPTACIÓN DE ENERGÍA EN LAS BACTERIAS QUIMIOTROFAS
2.1 FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO. FERMENTACIONES
2.2 FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. RESPIRACIONES
2.2.1 CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES Y FUERZA MOTRIZ DE PROTONES
2.2.2 MECANISMO DE LA ATP-SINTASA DEPENDIENTE DE PROTONES
2.2.3 DIVERSIDAD DE LAS RESPIRACIONES
2.2.3.1 SEGÚN LOS TIPOS DE DONADORES DE ELECTRONES
2.2.3.2 SEGÚN LOS TIPOS DE ACEPTORES DE ELECTRONES
3 CAPTACIÓN DE ENERGÍA EN LAS FOTOTROFAS: FOTOFOSFORILACIÓN
3.1 COMPONENTES DEL APARATO FOTOSINTÉTICO
3.2 FUNCIONAMIENTO DE UN FOTOSISTEMA
3.3 TIPOS DE FOTOFOSFORILACIÓN
3.3.1 FOTOFOSFORILACIÓN CÍCLICA
3.3.2 FOTOFOSFORILACIÓN ACÍCLICA
3.3.2.1 FOTOFOSFORILACIÓN ACÍCLICA ANOXIGÉNICA EN ANOXIFOTOBACTERIAS
3.3.2.2 FOTOFOSFORILACIÓN ACÍCLICA OXIGÉNICA EN CIANOBACTERIAS
4 CAPTACIÓN DE ENERGÍA EN HALOBACTERIUM
5 EL OXÍGENO Y EL METABOLISMO PROCARIÓTICO
El metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas que permiten el crecimiento de un organismo (por lo tanto, en bacterias, que conduce a la creación de nuevas células). El metabolismo de la célula comprende dos grandes tipos de reacciones:
1) reacciones de mantenimiento, que suministran
a) energía
b) poder reductor
c) precursores metabólicos
2) reacciones del anabolismo (biosíntesis), que usan energía y poder reductor procedente de las reacciones de mantenimiento.
Las bacterias requieren aporte continuo y de acceso inmediato de energía, que es usada en procesos de:
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biosíntesis (anabolismo) |
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transporte activo |
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translocación de proteínas a través de la membrana citoplásmica |
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movimiento flagelar |
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bioluminiscencia |
En bacterias, al igual que en eucariotas, la conservación intracelular de energía ocurre principalmente por medio de la síntesis de ATP:
ADP3- + H+ + PO4H2- --------> ATP4- + H2O
La hidrólisis de ATP hasta ADP y P genera una variación de energía libre DGo'= -31 kJ (= -7,3 kcal). La síntesis de ATP a partir de ADP y P requiere una DGo' de +31 kJ. Los métodos usados por las bacterias para generar este ATP son principalmente:
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fosforilación a nivel de sustrato (en las fermentaciones); |
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fosforilación oxidativa (en las respiraciones); |
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fotofosforilación (durante la fotosíntesis). |
Cada uno de estos procesos implica uno o varios pasos de reacciones redox exergónicas, pero la manera en que esas reacciones exergónicas se acoplan a la síntesis de ATP varía entre la fosforilación a nivel de sustrato y las otras dos.
Veamos en primer lugar las características comunes de estas reacciones redox:
En esta reacción se libera energía libre, cuyo valor viene expresado por la fórmula:
DG0'= - n·F·DE0'
n = nº de electrones transferidos
F = cte. de Faraday = 96,6 kJ·volt—1·equivalentes--1
DE0' es la diferencia entre los potenciales de reducción del donador (pareja D/DH2) y del aceptor (pareja A/AH2).
Una reacción redox exergónica de este tipo se puede acoplar a la consecución de trabajo útil:
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formación de un compuesto rico en energía; |
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formación de un gradiente de concentración y/o de carga eléctrica a ambos lados de una membrana. |
Ambos tipos de trabajo se pueden usar en la síntesis de ATP.
Por lo tanto, los seres vivos, para poder obtener su moneda energética (principalmente ATP), han de captar alguna fuente de energía externa, del medio ambiente. Veamos, pues, cuáles son los tipos de energía que captan los procariotas y los correspondientes tipos de metabolismos energéticos:
1) Si la energía procede de radiaciones (en los cuantos de una determinada longitud de onda de la luz visible): bacterias fototrofas, que a su vez pueden ser:
a) fotolitotrofas: captan energía lumínica en presencia de sustancias inorgánicas;
b) fotoorganotrofas: captan energía lumínica con requerimiento de sustancias orgánicas.
2) Si la energía se desprende a partir de moléculas químicas en reacciones biológicas de óxido-reducción: bacterias quimiotrofas, que a su vez pueden ser:
a) quimiolitotrofas: captación de energía química a partir de sustancias inorgánicas;
b) quimiorganotrofas: captación de energía química a partir de sustancias orgánicas.
Veamos ahora lo que diferencia a grandes rasgos a la fosforilación a nivel de sustrato respecto de la fosforilación oxidativa y la fotofosforilación:
La fosforilación a nivel de sustrato es un sistema usado por ciertas bacterias quimiorganotrofas. El sustrato orgánico (donador de electrones) 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 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.
Las fosforilaciones a nivel de sustrato se caracterizan por lo siguiente:
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son procesos escalares (es decir, no influye su situación espacial dentro de la célula); |
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son series de reacciones bioquímicas en las que la transferencia de un grupo químico (ej., el fosfato) se cataliza por enzimas solubles (en el citoplasma); |
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existen intermediarios metabólicos (antes de llegar al ATP) en los que el fosfato está unido covalentemente. |
En cambio, tanto la fosforilación oxidativa como la fotofosforilación son procesos caracterizados por:
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ser vectoriales (orientados en el espacio); | ||||||||
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estar ligados a membrana; | ||||||||
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implicar una secuencia ordenada de transportadores de electrones que sufren oxidaciones y reducciones reversibles (cadena transportadora de electrones, c.t.e.). | ||||||||
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no hay intermediarios covalentes ricos en energía, sino que la transferencia de energía se realiza por medio de un gradiente electroquímico de protones (y, en algunos casos, de cationes). Este gradiente de protones se puede emplear a su vez para:
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En los organismos quimiotrofos, 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.
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 à 1,3-difosfoglicérico à 3-fosfoglicérico. Ejemplo:
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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:
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equivalentes de reducción (en forma de NADH y otros cofactores reducidos), e |
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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+):
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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:
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Tipo de fermentación |
Producto(s) |
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Fermentación láctica |
Lactato |
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Fermentación alcohólica |
etanol, CO2 |
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Fermentación ácida-mixta |
etanol, succinato, acetato, formiato, lactato, CO2, H2 |
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Fermentación butilénglicólica |
butilénglicol, CO2 |
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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 à 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, ¿cómo 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.
Respiración es la obtención de energía por oxidación de sustratos reducidos DH2 (orgánicos en quimiorganotrofas, e inorgánicos en quimiolitotrofas), pero los coenzimas reducidos (ej., NADH) transfieren los electrones a un aceptor final oxidado, no directamente (como en la fermentación), sino a través de una cadena transportadora de electrones al final de la cual existe un aceptor exógeno oxidado (A), que se reduce.
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Si el aceptor final es el O2, hablamos de respiración aerobia; |
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Si el aceptor final es distinto del O2 (nitrato, sulfato, etc.), respiración anaerobia. |
En ambos casos, la transferencia se da ordenadamente, en la dirección de mayor potencial redox positivo, con la consiguiente liberación de energía libre. Como veremos enseguida, esta energía libre se va a traducir en un potencial electroquímico de protones, cuya disipación a través de ATP-asas de membrana origina ATP, conociéndose este proceso como fosforilación oxidativa.
Como el alumno seguramente sabrá, el mecanismo de la fosforilación oxidativa se suele explicar en base a la teoría quimiosmótica de Mitchell (1961 y años siguientes). Recordemos que la c.t.e. está formada por una serie ordenada de moléculas transportadoras situadas (en bacterias) en la membrana citoplásmica (y en sus invaginaciones), moléculas que sufren oxidaciones y reducciones reversibles.
Los donadores de electrones inmediatos para las c.t.e son el FADH2 y el NADH+H+, que se generan, p.ej., en la glucolisis o en el ciclo de Krebs (ciclo de los ácidos tricarboxílicos o del ácido cítrico). El alumno conocerá por la asignatura de Bioquímica los principales tipos de componentes de las c.t.e. respiratorias:
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NADH deshidrogenasas, unidas a la cara interna de la membrana. Aceptan átomos de H a partir del NADH, y se los ceden a las flavoproteínas | ||||
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Flavoproteínas (Fp, un tipo de riboflainas), dotadas de grupos FAD o FMN. Pueden acepar átomos de H, pero a su vez ceden electrones. | ||||
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Proteínas no hémicas de Fe-S (Fe/S proteínas). Algunas poseen agrupamientos de Fe2S2 (como la ferredoxina) y otras Fe4S4. Transportan solamente electrones. | ||||
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Quinonas. Son moléculas muy hidrofóbicas, inmersas en la membrana, capaces de moverse dentro de ella. Sirven como aceptores de átomos de H, pero sólo ceden electrones. En bacterias podemos encontrar dos principales tipos de quinonas:
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| Citocromos (proteínas hémicas con Fe quelado). Sufren oxidación y reducción por pérdida y ganancia de un electrón cada vez, a través del Fe del centro de la molécula. Los citocromos son de varias clases, según el tipo de grupo hemo (ej. tipo a, b, c, etc), y a veces forman complejos fuertes con otros citocromos (ej., cit bc1) o con Fe/S-proteínas. |
El alumno recordará que los electrones fluyen desde los transportadores con potencial de reducción más negativo hacia los de potencial más positivo, hasta que finalmente reducen un aceptor final de electrones (A) obtenido del ambiente. Observar que algunos de estos transportadores transportan átomos de H (o sea, protones y electrones), mientras que otros transportan únicamente electrones. ¿Qué pasa con los protones? Ahí está la gracia... paciencia, enseguida lo veremos. La situación de los transportadores dentro de la membrana es asimétrica, lo que condiciona que el transporte sea un proceso vectorial (es decir, tiene un sentido determinado), de modo que los H salen hacia afuera y los electrones tienden a entrar al interior. Como resultado de todo ello, tenemos que existen determinados puntos de la c.t.e. (llamados bucles o lazos translocadores de protones) en los que el efecto neto es la salida de protones al exterior de la membrana citoplásmica (concretamente, en los puntos donde confluyen un transportador de H+ y otro de electrones). Es decir, existe una translocación de protones hacia el exterior ligada a las reacciones redox que ocurren en la c.t.e.
Por otro lado, la membrana es impermeable a los protones, por lo que los protones translocados a resultas del funcionamiento de las c.t.e. no pueden entrar directamente. Por lo tanto, se crea un gradiente electroquímico de protones, compuesto de gradiente osmótico de esos iones H+ (DpH) y un gradiente de carga eléctrica (Dy). Este gradiente es una forma de energía potencial que puede realizar trabajo. El valor de este gradiente electroquímico de protones o fuerza protón motriz (f.p.m.) es:
Dp = Dy -Z·DpH (expresado en milivoltios, mV),
donde Z = 2,3 R·T/F, siendo R= constante de los gases, T= temperatura absoluta, F= constante de Faraday
Como ya dijimos, esta Dp (f.p.m.) es capaz de:
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realizar trabajo útil directamente:
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usarse para dirigir la formación de enlaces fosfato de alta energía en forma de ATP (fosforilación oxidativa), como veremos a continuación. |
La conversión de la fuerza protón-motriz en ATP se realiza por medio de una ATP-asa. Este complejo proteico consta de dos partes funcionales, un canal integral de membrana (F0) y una estructura globular en el lado citoplásmico de la membrana (F1). La ATP-asa funciona de modo reversible, como ATP-sintasa y como ATP-hidrolasa. La disipación de la fuerza protón motriz supone el funcionamiento como ATP-sintasa, según el siguiente modelo:
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F0 es un complejo integral de membrana, que trasloca los protones. Está compuesto de {a, b2, c12}. La subunidad a es la encargada de canalizar los protones a través de la membrana, mientras que las dos subunidades b sobresalen hacia el lado citoplásmico, interaccionando con la F1. Las 12 subunidades de c se disponen formando una especie de cilindro transmembranoso, capaz de rotar en ambos sentidos. | ||||||
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F1 constituye la porción intracitoplasmática, dotada de los sitios catalíticos. Su composición se puede expresar como {a3, b3, g, d, e). La parte más saliente de F1 consta de 3 subunidades a alternando con 3 subunidades b. | ||||||
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Al parecer, la traslocación de unos 3 o 4 protones a través de F0 está acoplada, por medio de grandes cambios conformacionales, a la síntesis de una molécula de ATP en las subunidades b de la F1, por un notable mecanismo de catálisis rotacional:
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ATP-sintasa de E. coli, el más pequeño motor rotatorio del mundo vivo |
Las ATP-sintasas son los motores rotatorios más pequeños del mundo vivo (más pequeños que el motor del flagelo bacteriano). Las ATP-asas de membrana pueden funcionar también en sentido inverso al de síntesis, es decir, como ATP-hidrolasas: se produce hidrólisis de ATP y extrusión de protones al exterior. Por lo tanto, en este sentido de funcionamiento, se genera un gradiente de protones a expensas de gasto de ATP intracelular. Esto muestra una vez más que el ATP y el gradiente de protones se pueden considerar como formas diferentes e interconvertibles de energía celular.
Las ATP-asas productoras de gradientes de protones existen en bacterias no respiratorias, que carecen de c.t.e., como por ejemplo, las bacterias anaerobias del ácido láctico. Estas bacterias obtienen su ATP por fosforilación a nivel de sustrato, en sus procesos de fermentación. Pero al igual que otras bacterias, necesitan realizar procesos de transporte activo ligado a simporte de protones y pueden moverse por flagelos, por lo que necesitan también crear un gradiente de protones para estos fines. En estas bacterias las ATPasas funcionan siempre como ATP-hidrolasas, conviertiendo parte del ATP obtenido por fermentación en una fuerza protón-motriz que se usa para transporte de nutrientes y para alimentar al motor flagelar.
Los organismos que “respiran” una fuente orgánica de electrones se denominan quimiorganotrofos. En ellos, la oxidación de la fuente orgánica de carbono no solo sirve como donante de electrones para la fosforilación oxidativa, sino que también sirve para generar intermediarios metabólicos que serán usados para las reacciones biosintéticas. Por ejemplo, tanto la ruta glucolítica como el ciclo del ácido cítrico producen intermediarios (como α-cetoglutarato y oxalacetato en el ciclo de Krebs) que, llegado el caso son “retirados” del ciclo y usados como precursores de biosíntesis. La diversidad de fuentes de carbono orgánico que pueden usar los procariotas organotrofos respiradores es asombrosa (aludiremos a ello en el capítulo próximo, cuando tratemos el carbono como nutriente).
En los quimiolitotrofos, el donador de electrones es una molécula inorgánica reducida. Esta capacidad de obtener energía por fosforilación oxidativa a partir de donadores inorgánicos de electrones sólo ha evolucionado en ciertos grupos de procariotas. Los quimiolitotrofos se pueden clasificar en grupos fisiológicos según el tipo de donador inorgánico que “respiran”:
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Los quimiolitotrofos “típicos”, son por lo general respiradores aerobios, o sea, el aceptor final de electrones es el oxígeno molecular. Son de varios tipos según la clase de donante inorgánico de electrones que oxidan:
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Recientemente se ha descubierto un nuevo tipo de quimiolitotrofos, que acoplan en anaerobiosis la oxidación del amoniaco con la reducción de los nitritos, produciendo nitrógeno molecular y agua (NH4+ + NO2- à N2 + 2 H2O). Este proceso ha recibido el nombre de oxidación anaerobia del amoniaco (anammox en su abreviatura inglesa, que fácilmente podemos traducir como oxanam en abreviatura castellana, desgraciadamente poco usada). |
Las bacterias anammox (como Brocadia anammoxidans) son miembros del phylum de los Planctomicetos, un fascinante grupo de eubacterias con paredes proteicas (sin peptidoglucano), y citoplasma dividido en compartimentos mediante membranas especiales. (Recuerda que decíamos en el capítulo 7 que estas bacterias, a diferencia de las demás, pueden llevar el nucleoide rodeado de membranas). El género Brocadia posee un orgánulo rodeado de este tipo especial de membrana, denominado anamoxisoma, donde tiene lugar esta reacción anammox. El descubrimiento de este proceso ha supuesto una revisión de nuestras ideas tradicionales sobre el ciclo del nitrógeno en la naturaleza (antes se pensaba que el amoniaco era estable en anaerobiosis), y puede tener secuelas prácticas en el campo de la protección ambiental, ya que se han diseñado procesos industriales para eliminar anóxicamente el amoniaco y las aminas de las aguas residuales.
El mecanismo de generación de ATP en quimiolitotrofos es similar al de quimioorganotrofos respiradores: 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 en los litotrofos típicos, y que es nitrito en los anammox), generando una fuerza protón-motriz que se transforma en ATP por ATP-sintasas.
Pero a excepción del H2, los demás donadores inorgánicos de electrones tienen un potencial de reducción 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 durante la respiración se emplea en hacer que electrones viajen por la cadena transportadora de electrones (o una parte de ella) en sentido inverso, para poder reducir el NAD+.
Obviamente, los quimiolitotrofos, a diferencia de los quimiorganotrofos, no pueden usar el donador de electrones como fuente de carbono. La mayor parte de los quimiolitotrofos recurren a fijar CO2 de la atmósfera, es decir, son también autotrofos. Para reunir estas dos características se usa el nombre de quimiolitoautotrofos. La fijación del carbónico por parte de las eubacterias litoautotrofas “típicas” se realiza por el ciclo de Calvin, y disponen de reservas de RuBisCo (carboxisomas, estudiados en el tema 7). Las bacterias anammox son también autotrofas aunque carecen de ciclo de Calvin, y aún se desconoce el mecanismo de fijación del CO2.
En la respiración aerobia el oxígeno molecular se usa como sumidero de los electrones procedentes de la cadena transportadora, y junto con protones se reduce hasta agua (½ O2 + 2 ee + 2 H+ à H2O). Esos protones proceden de la previa disociación del agua (H2O à H+ + OH-), por lo que la oxidación del agua deja el lado citoplásmico de la membrana con pH alcalino y cargado negativamente; mientras tanto, como hemos visto, el funcionamiento de la cadena de transporte de electrones deja el lado externo o periplásmico de la membrana cargado positivamente y ácido).
Como ya hemos dicho, en algunas bacterias, al final de la c.t.e. puede existir un aceptor diferente del oxígeno (respiración anaerobia). Los aceptores y sus respectivos productos reducidos (A à AH2) son:
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Aceptor à prod. reducido |
Procariotas (Ejemplos) |
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NO3- à NO2-à N2 |
Pseudomonas, Bacillus |
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NO3- à NO2- |
Enterobacterias |
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SO42- à S0à SH2 |
Sulfatorreductoras (Desulfovibrio, Desulfotomaculum) |
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fumarato à succinato |
Enterobacterias |
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CO2 à CH4 |
Arqueas metanogénicas |
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Fe3+ à Fe2+ |
Shewanella, Geobacter |
Con estos aceptores se obtiene menos energía que con el oxígeno, porque la pareja O2/H2O es más oxidante que las otras. Algunos de estos procariotas son respiradores estrictamente anaerobios (caso de las arqueas metanógenas y de las bacterias sulfatorreductoras). Otros pueden alternar entre respiración aerobia y anaerobia, dependiendo de la disponibilidad de los correspondientes aceptores (caso de las bacterias que usan nitratos como aceptores). Y adicionalmente, existen bacterias como las enterobacterias que aparte de tener respiración aerobia y anaerobia (en este caso usando nitratos) pueden usar igualmente metabolismo fermentativo (en anaerobiosis y en ausencia de aceptores de electrones para sus cadenas respiratorias).
El uso de nitratos, sulfatos y CO2 como aceptores finales de electrones (y no como material a incorporar al metabolismo plástico) se denomina metabolismo disimilativo (o desasimilativo). para distinguirlo del asimilativo (nutricional). El producto reducido se excreta al ambiente de la bacteria.
El uso disimilativo de nitrato se llama desnitrificación, y ocurre por medio de una serie de fases donde el N va cambiando su estado de oxidación:
NO3-à NO2- (nitrito) à NO (óxido nítrico) àN2O (óx. nitroso) à N2 (dinitrógeno)
Los tres últimos son gases y pueden escapar a la atmósfera. Las enzimas que catalizan esta ruta son reprimidas por el oxígeno molecular y se inducen (en ausencia de oxígeno) por el nitrato:
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La reducción disimilativa de nitrato hasta nitrito se lleva a cabo por la nitrato-reductasa disimilatoria, que viene a ejercer un papel semejante al citocromo terminal (citocromo-oxidasa) de muchas cadenas que usan oxígeno molecular como aceptor. Es de localización intramembranosa. |
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En las bacterias Gram-negativas la nitrito-reductasa es de localización periplásmica. Las nitrito-reductasas de Pseudomonas constan de citocromos c+d1. |
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La óxido nítrico-reductasa (que cataliza el paso NO à N2O) es un complejo de citocromo b+c integral de membrana. |
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La óxido nitroso-reductasa (que cataliza el paso N2O àN2) es una enzima de localización periplásmica. |
Hasta la llegada de las actividades industriales humanas, todo el dinitrógeno (N2) de la atmósfera procedía de estos procesos desnitrificantes.
El uso disimilatorio del sulfato (es decir, como aceptor de electrones en respiraciones) solamente ha evolucionado en el grupo de las bacterias sulfatorredutoras (ej.: Desulfovibrio, Desulfotomaculum). Para que el sulfato (SO42-) pueda recibir los electrones, primero se tiene que “activar” con ATP (mediante la ATP-sulfurilasa), formándose la adenosina-fosfo-sulfato (APS). La parte sulfato de la APS recibe dos primeros electrones y se reduce (por la APS-reductasa) hasta sulfito (SO32-), con liberación de AMP. Luego el sulfito es reducido (aceptando otros seis electrones) hasta sulfuro (S2-) mediante la sulfito-reductasa. La mayoría de sulfatorreductoras son quimiorganotrofos, pero algunos pueden usar también H2 como donador de electrones (quimiolitotrofos).
Las arqueas metanogénicas son los únicos seres vivos capaces de obtener energía acoplando la oxidación del hidrógeno molecular con el uso de CO2 como aceptor de electrones (actuando en estas condiciones como quimiolitotrofos):
4H2 + CO2 à CH4 + 2H2O
Además, algunas metanógenas no solo son litotrofas, sino que igualmente fijan autotróficamente el carbónico, aunque por rutas especiales diferentes al ciclo de Calvin.
El hierro férrico (Fe3+) puede ser usado en la naturaleza como aceptor de electrones por parte de ciertas bacterias quimiorganotrofas (Shewanella putrefaciens) y quimiolitotrofas (Geobacter metallireducens es litotrofo facultativo: puede usar como donador de electrones el hidrógeno molecular y compuestos orgánicos sencillos).
Otros aceptores inorgánicos de electrones:
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El manganeso mangánico (Mn4+) puede ser reducido por algunas bacterias, como la ya citada Shewanella putrefaciens cuando crecen respirando acetato y otros sustratos orgánicos. |
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El clorato (ClO3-) |
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El selenato (SeO42-) se puede reducir a selenito (SeO32-) y posteriormente a selenio metálico (Se0). Se ha aprovechado esta reacción para descontaminar aguas que llevaban estos compuestos tóxicos (biorremedio). |
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El arseniato (AsO42-) es un compuesto muy tóxico, y puede ser reducido junto con el sulfato por la bacteria sulfatorreductora Desulfotomaculum, formándose un complejo mineral de arsénico y sulfuro (trisulfuro de arsenio, As2S3), que precipita. Este ejemplo de biomineralización se está intentando aprovechar para detoxificar suelos y aguas contaminados. |
El estudiante seguramente conocerá por otras asignaturas la cadena de transporte electrónico de las mitocondrias. Pues bien, en bacterias existe una gran diversidad de tipos de cadenas transportadoras de electrones, si bien en todos los casos aparecen los elementos que citamos más arriba (flavoproteínas, Fe/S-proteínas, quinonas, citocromos). La cadena sigue el orden derivado de la torre de electrones (desde los componentes más electronegativos a los menos electronegativos o más electropositivos) y se da una alternancia entre transportadores de átomos de hidrógeno (protones y electrones) y de sólo electrones (es decir, aparecen bucles translocadores de protones hacia fuera, lo que genera la fuerza protón-motriz).
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La c.t.e. de Paracoccus, una bacteria que posee un sistema similar al de las mitocondrias (Fp --> FeS proteína --> quinona --> cit bc --> cit c --> cit aa3 --> O2), donde se observan 3 sitios donde termodinámicamente la variación de energía libre es suficiente para apoyar la síntesis de una molécula de ATP en cada uno. |
La cadena transportadora de electrones de Paracoccus cuando usa oxígeno como aceptor final es similar a la de las mitocondrias (Fpà FeS proteína à quinona (coenzima Q) à cit bc1 à cit c à cit aa3 àO2), y en ella se observan tres sitios donde termodinámicamente la variación de energía libre es suficiente para apoyar la síntesis de una molécula de ATP.
Muchas cadenas respiradoras aerobias muestran ramificaciones alternativas, sobre todo a nivel de los citocromos terminales. El papel principal de estas ramificaciones es lograr flexibilidad en la ruta de transferencia de electrones, de manera que se obtengan rendimientos máximos en ciertos sustratos y condiciones de crecimiento, y para minimizar los efectos nocivos de otros.
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P. ej., si E. coli dispone de oxígeno lo usará como aceptor final de electrones, pero dependiendo de su concentración recurrirá a una u otra rama. (A su vez, esto puede estar relacionado con la fase de crecimiento: en la fase exponencial, cuando hay todavía suficiente nivel de O2, se usa una rama, mientras que en fase estacionaria, cuando el nivel de O2 ha bajado, se usa la otra). |
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El mismo E. coli y otras bacterias anaerobias facultativas, en un ambiente sin oxígeno pero con presencia de nitratos puede usar estos aceptores alternativos con las correspondientes variantes en los citocromos terminales. |
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Cuando Azotobacter (fijador aerobio de N2) crece fijando nitrógeno molecular, usa una ramificación que gasta muchísimo oxígeno como aceptor final (aunque el rendimiento en ATP es menor); con ello logra evitar que el oxígeno pase al citoplasma, con lo que protege a la nitrogenasa de la inactivación por oxígeno. |
En los quimiolitotrofos, cuando el donador de electrones es diferente al hidrógeno molecular, la cadena transportadora de electrones funciona en los dos sentidos:
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en su sentido “normal”, ya estudiado. Un donador inorgánico de electrones cede electrones, que llegan a la cadena transportadora de electrones, que crea un gradiente de protones, cuya disipación a través de ATP-asa genera ATP; Sin embargo, salvo en caso de usar H2, los donadores exógenos no sirven para generar poder reductor (coenzimas reducidas); |
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pero estas bacterias necesitan equivalentes de reducción (NADPH) para reducir el CO2 (su fuente exclusiva de C) hasta material orgánico celular [CH2O]. Este NADPH lo logran merced a un flujo invertido de electrones a través de la cadena transportadora de electrones, usando para ello como energía parte del potencial de protones (f.p.m.) generado por el flujo normal. |
La fototrofía es la capacidad de captar energía de la luz. Aunque la capacidad de usar la luz como fuente para generar ATP (fotofosforilación) depende de un mecanismo característico, tiene en común con la fosforilación oxidativa el hecho de que produce también un gradiente electroquímico de protones a ambos lado de una membrana, el cual a su vez alimenta ATP-sintasas. Estrictamente hablando, la fotosíntesis alude a la fotoautotrofía, es decir, la combinación de fototrofía o captación de esa energía lumínica (obtenida en la “fase luminosa”) con su empleo para fijar el CO2 (autotrofía) hasta material celular (“fase oscura”). Haciendo abstracción del tipo de donante de electrones, la ecuación general de la fotosíntesis sería:
energía de la luz (hn)
2 H2A + CO2 ----------------------------------------------------> [CH2O] + H2O + 2 A
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En cianobacterias, algas y plantas verdes, H2A = H2O, como agente reductor. Por lo tanto, al oxidarse se genera O2 (fotosíntesis oxigénica) |
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En bacterias fotosintéticas anoxigénicas H2A puede ser H2, SH2, S2O3-, etc. Evidentemente, no pueden liberar oxígeno (fotosíntesis anoxigénica). |
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Por otro lado, existen procariotas fototrofos que captan la energía de la luz, pero emplean materia orgánica como fuente de carbono, por lo que se denominan fotoheterotrofos. |
Más de la mitad de la fotosíntesis de nuestro planeta se debe a bacterias fotosintéticas. (NOTA: nosotros nos vamos a ocupar solamente de la fase luminosa de la fotosíntesis, es decir, el proceso por el que la energía de la luz se convierte en ATP).
En bacterias tenemos, pues, dos modalidades de fotosíntesis en función de que el donador de electrones sea o no el oxígeno: fotosíntesis oxigénica y fotosíntesis anoxigénica. Como veremos, en ambas pueden existir dos versiones de un mecanismo de obtención de energía a partir de la luz visible: fotofosforilación cíclica y acíclica:
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En la fotofosforilación cíclica (FFC) no existe aporte de un agente reductor externo ni de agente oxidante externo.
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En cambio, en la fotofosforilación acíclica (FFA) un donador exógeno de electrones (H2A) servirá para que, por acción de la luz, se produzcan equivalentes de reducción (NADPH, o NADH), que a su vez se usarán para la reducción (asimilación) de CO2 hasta materia orgánica. Al igual que en la cíclica, se produce gradiente de protones, convertible en ATP. |
Los componentes funcionales del aparato fotosintético son los siguientes:
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Fotosistemas: catalizan la conversión de la energía de la luz, capturada en moléculas excitadas de clorofila o bacterioclorofila en una forma útil de energía. Están constituidos por complejo antena (con pigmentos captadores de luz) y centro de reacción (con las clorofilas o bacterioclorofilas fotoactivas). Los centros de reacción suelen estar situados dentro de estructuras membranosas: tilacoides de las cianobacterias, cromatóforos (invaginaciones de membrana) de bacterias anoxigénicas purpúreas o la propia membrana citoplásmica (bacterias anoxigénicas verdes y heliobacterias). |
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Cadenas transportadoras de electrones: estas cadenas situadas en membranas están ligadas de forma estrecha al centro de reacción, y crean una fuerza protón-motriz. |
Antes de describir el funcionamiento del aparato fotosintético, describamos brevemente las principales moléculas implicadas:
A) Clorofilas y bacterioclorofilas. Estos tetrapirroles cíclicos quelados con Mg2+ y dotados de largas cadenas de alcohol (como el fitol) pueden formar parte tanto de los pigmentos antena como de los centros de reacción.
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Las clorofilas que no participan en el centro de reacción funcionan como parte del sistema de antena, y pueden llegar a unas 300 en cada uno de estos sistemas. |
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Las clorofilas del centro de reacción son mucho menos abundantes que las del complejo antena. Típicamente son 4 moléculas, de las cuales dos están asociadas a proteínas, de modo que en este estado actúan como “trampas” para los cuantos de luz. Como veremos, estas clorofilas especiales, tras excitarse, se oxidan, por lo que se denominan clorofilas fotoactivas. La luz convierte a estas clorofilas desde su estado basal a su estado excitado, en el que tienen un E0’ negativo, por lo que entonces pueden ceder electrones (oxidarse) fácilmente. |
(Enlace a modelo 3-D de clorofila, manejable por usuario. Requiere un programa de tipo Chime o Protein Explorer)
B) Carotenoides. Forman parte del complejo antena. Sus funciones son:
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protección contra los efectos potencialmente perjudiciales derivados de la interacción entre la luz y el oxígeno; |
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como pigmentos antena, captadores de luz (aunque menos eficientes que otros). |
(Enlace a modelo 3-D manipulable por el usuario de un carotenoide. Requiere un programa de tipo Chime o Protein Explorer)
C) En las cianobacterias, existe, además un conjunto de ficobiliproteínas, organizadas en complejos supramoleculares denominados ficobilisomas, dispuestos en la superficie de los tilacoides. Las principales ficobiliproteínas son ficocianina, ficoeritrina y aloficocianina, y constituyen el complejo antena en las Cianobacterias.
D) Feofitinas y bacteriofeofitinas. Son similares a las respectivas (bacterio)clorofila s, excepto que no están queladas con Mg++. Actúan como aceptores inmediatos del electrón que pierde cada (bacterio)clorofila del centro de reacción.
(Enlace a modelo 3-D de fefitina manejable por usuario. Requiere Chime o Protein Explorer)
E) Otros componentes. En el mismo centro de reacción se encuentran los primeros componentes de la c.t.e. fotosintética: quinonas especiales acomplejadas con Fe (enlace a 3-D de quinona). Por lo demás, las c.t.e. fotosintéticas contienen moléculas de tipos parecidos a las ya estudiadas en las c.t.e. respiratorias: quinonas, citocromos y ferroproteínas no hémicas.
Para estudiar el funcionamiento, hagámonos una idea de cómo están organizados los principales componentes que acabamos de citar dentro del aparato fotosintético.
Complejo antena: Es un conjunto de pigmentos captadores de luz, en gran número (desde unos 50 hasta miles). Sobre ellos incide la luz solar, de manera que se van transfiriendo la energía de unos a otros, en paquetes (excitones), pero sin oxidarse, en un fenómeno conocido como resonancia inductiva. El complejo antena actúa como un “embudo”, captando energía lumínica, y canalizándola hacia el centro de reacción, donde como veremos enseguida, esta energía podrá ser convertida a una forma útil.
Centro de reacción: Para hacernos una idea concreta de un centro de reacción, mostraremos uno de los mejor estudiados: el de la anoxifotobacteria purpúrea Rhodopseudomonas viridis (el primero en desentrañarse a nivel molecular, en el año 1985, mediante técnicas de difracción de rayos X).
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posee 4 bacterioclorofilas, de las cuales dos (denominadas P870) son las fotoquímicamente activas (también llamadas “par especial”), debido a su asociación con las proteínas citadas abajo |
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2 bacteriofeofitinas |
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2 ubiquinonas y un Fe, que constituyen el complejo Q·Fe. |
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Proteínas del centro de reacción (denominadas L, M y H). |
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Todo el conjunto se encuentra en la bicapa lipídica. |
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Asociado al C.R., un citocromo c2. |
Todos estos componentes del centro de reacción están dispuestos de tal manera que pueden interaccionar rápidamente para transferirse electrones, según veremos a continuación.
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Mecanismo de la fotofosforilación: transferencia de electrones en el centro de reacción, generación de fuerza protón-motriz y producción de ATP:
1) Antes de excitarse, cada bacterioclorofila especial (P870) tiene un E’0 de +0.5 V.
2) La energía de la luz capturada por los pigmentos antena llega en forma de “excitones” al centro de reacción, de modo que cada bacterioclorofila especial pasa a una forma excitada (bacterioclorofila*, con un E’0 de –1.0 V). Esta forma excitada con bajo potencial de reducción es, pues, un fuerte donador de electrones, de modo que enseguida…
3) … cada bacterioclorofila* se oxida (pierde un electrón), pasando a bacterioclorofila+. Esta transición es increíblemente rápida, de 3 billonésimas de segundo (3x10-12). El entorno proteico del centro de reacción (en este caso, proteínas L, M y H unidas al par especial de bacterioclorofilas) estabiliza el estado excitado y evita que los electrones “vuelvan atrás”.
4) El electrón cedido por cada bacterioclorofila pasa a una cada una de las bacteriofeofitinas.
5) Los dos electrones (uno por feofitina) pasan a una ubiquinona (QA) estrechamente ligada al centro de reacción (la quinona se reduce a quinol: QAH). Observa que se ha originado una separación de cargas, de modo que se ha formado una especie de “agujero” cargado positivamente: las bacterioclorofilas con carga positiva tienen ahora una alta afinidad por electrones.
6) La bacterioclorofila+ captura un electrón de un citocromo cercano (cit c2, ligado al centro de reacción). Normalmente este citocromo es un donador débil de electrones, pero ahora los cede, debido al intenso “agujero” de carga positiva representado por las bacterioclorofilas+ (oxidadas).
7) Mientras tanto, el electrón de la QA pasa a una segunda ubiquinona del centro de reacción (QB), que pasa a la forma quinol.
8) El electrón abandona el centro de reacción y pasa a otra quinona, perteneciente al “pool” de quinonas que se encuentra libre en la bicapa lipídica. Esta quinona, una vez reducida (forma quinol), es un buen reductor (donador de electrones). El electrón pasa a la cadena transportadora de electrones (citocromos bc1 à cit c2). El citocromo c2 es de localización periplásmica, y conecta el bc1 con el centro de reacción. Cuando el citocromo c2 transfiere electrones a la bacterioclorofila oxidada (P870+), ésta vuelve a su estado inicial, con un E’0 de +0.5 V, quedando el centro de reacción preparado para otro ciclo de excitación por absorción de energía de la luz.
9) El funcionamiento de esta cadena transportadora de electrones provoca una translocación de protones fuera de la membrana, o sea, un potencial electroquímico de protones o f.p.m., cuya disipación a favor de las ATP-sintasas se traduce en producción de ATP celular (fotofosforilación).
El mecanismo que acabamos de ver ilustra el concepto de fotofosforilación cíclica: la (bacterio)clorofila del centro de reacción (fotosistema I) sirve tanto como donador primario como aceptor final de electrones procedentes de una cadena transportadora de electrones. Es decir, los electrones no salen del ciclo, están “dando vueltas”, y no hay donador exógeno de electrones.
Ahora bien, si la bacteria es autotrofa, esta fosforilación cíclica no es suficiente, porque no se crea poder reductor, imprescindible para la fijación (reducción) de CO2, hasta material celular [se necesita NAD(P)H, aparte de ATP]. Para formar equivalentes de reducción hace falta que el fotosistema funcione en su modalidad de fotofosforilación cíclica, que pasamos a estudiar.
En la fotofosforilación acíclica los electrones cedidos por la (bacterio)clorofila excitada no solo sirven para generar f.p.m. y por lo tanto ATP, sino que también se emplean en producir los equivalentes de reducción [NAD(P)H+H+] que hacen falta para la fijación del CO2. Ahora bien, los electrones empleados en generar equivalentes de reducción, por definición ya no pueden servir para reducir la forma oxidada de la (bacterio)clorofila. Por lo tanto, esos electrones deben de proceder de una fuente exógena para poder regenerar la forma basal del pigmento fotoactivo.
En la fotofosforilación acíclica anoxigénica el donador exógeno de electrones para generar poder reductor es siempre una molécula diferente del agua. Hay ciertas variantes según el grupo de bacterias que consideremos:
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Las bacterias purpúreas (o rojas) recurren como donantes exógenos de electrones a compuestos reducidos de azufre inorgánico (principalmente SH2, pero también S0, S2O32-), al hidrógeno molecular (H2), o incluso (en el caso de las “purpúreas no del azufre”) a un compuesto orgánico reducido[1]. Estos compuestos ceden electrones a un citocromo de tipo c. Esos electrones siguen un curso inverso al de la cadena normal que hemos visto y pasan al depósito de quinonas de la membrana. Pero el potencial de reducción de la quinona (casi DE0' = 0 V) no es suficientemente negativo como para poder reducir espontáneamente el NAD+. Los electrones son forzados a retroceder contra el gradiente termodinámico: consumen parte del potencial electroquímico (f.p.m.) producido por la previa excitación del fotosistema para generar los equivalentes de reducción (NADH+H+). Esto es un caso de transporte inverso de electrones. Esta fosforilación acíclica es diferente a la de las otras bacterias fototróficas anoxigénicas:
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Las bacterias verdes del azufre usan también compuestos reducidos de azufre e hidrógeno molecular, pero a diferencia de las purpúreas, esos donantes sirven para regenerar la bacterioclorofila. En otras palabras, la producción de equivalentes de reducción se realiza, al igual que la fotofosforilación, como resultado de la reacción luminosa. En este caso esto se debe a que el primer aceptor estable de electrones procedentes de la bacterioclorofila excitada y oxidada (una Fe/S proteína) es suficientemente electronegativo (DE0' =-0.54 V), y por mediación de una ferredoxina (DE0' = -0.41 V) dona electrones al NAD+ para generar equivalentes de reducción. (Por cierto, la fijación de CO2 es por una ruta única entre los seres vivos, denominada ciclo reductivo de los ácidos tricarboxílicos, una especie de ciclo de Krebs que funciona al revés). | ||||
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Las heliobacterias (bacterias esporulantes fototrofas, descubiertas hace pocos años) al igual que las bacterias verdes, tienen como primer aceptor estable de electrones una Fe/S proteína con potencial redox suficientemente bajo (DE0' = -0.5 V) como para reducir NAD+. Por lo tanto, su poder reductor deriva igualmente de la reacción luminosa. La regeneración de la bacterioclorofila oxidada es mediante un aceptor exógeno orgánico (son fotoheterotrofos, y parece que no son capaces de fijar CO2). |
Las cianobacterias, al igual que las plantas y algas, usan H2O como donador exógeno de electrones, que sirven tanto para la obtención de energía como para la de poder reductor; la fotofosforilación acíclica oxigénica es más compleja que la anoxigénica, ya que el H2O requiere un elevado potencial de reducción para poder extraerle los electrones, y el FSI no es un oxidante suficientemente fuerte como para captar electrones directamente del agua.
La manera de resolver este problema es acoplar un fotosistema adicional (FSII), dotado de un E0' más alto que el FSI, y que funciona en paralelo con éste, siguiendo el llamado “esquema en Z” (por la forma de Z “tumbada” que tiene su representación gráfica):
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El FSI se activa por la luz de longitud de onda larga (cerca del infrarrojo) y se oxida, de modo que los electrones pasan por una quinona, de ahí a una Fe/S proteína, y terminan en una ferredoxina, que a su vez los cede al NADP+, para generar poder reductor (NADPH + H+) | ||
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Ahora bien, como hemos dicho, el FSI+ no puede regenerarse directamente por el agua, sino que recibe los electrones desde el FSII, a través de una c.t.e. (por supuesto, con creación de Dp y por lo tanto, ATP). | ||
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Esta c.t.e. consta de la serie de transportadores siguiente
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El FSII se excita por la luz roja y ,como acabamos de decir, envía los electrones al FSI vía c.t.e.). Este FSII+ sí puede regenerarse extrayendo los electrones directamente del H2O, desprendiéndose O2 (merced a un complejo enzimático que contiene Mn, llamado complejo lítico del agua o “reloj oxidante del agua”). |
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Esquema en "Z" de la fosforilación acíclica en una cianobacteria |
En resumen, el FSI+ actúa como un aceptor final de electrones procedentes del FSII. A su vez, el FSII+ (oxidado) se reduce directamente por el agua.
(NOTA: esta sección del tema no será impartida durante las clases en este tema, y se hará referencia a ella en la parte de Taxonomía)
Algunas arqueas halófilas (p. ej., Halobacterium) presentan una capacidad de síntesis de ATP mediada por la luz, pero sin implicación de clorofilas ni fijación de CO2. Cuando estas bacterias se encuentran en condiciones de baja aireación (bajas tensiones de O2), sintetizan una cromoproteína especial llamada bacteriorrodopsina, que forma “parches” de color púrpura en sus membranas citoplásmicas.
La bacteriorrodopsina consta de:
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porción proteica: bacteriopsina, que forma 7 hélices a atravesando la membrana; |
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grupo cromóforo: retinal (el mismo de la rodopsina retiniana de los vertebrados).El retinal es un carotenoide C20 que puede absorber la luz y catalizar la transferencia de protones a través de la membrana. Se encuentra unido como una base de Schiff a una determinada lisina de la bacteriopsina. |
Veamos el mecanismo de captación de energía de la luz por parte del retinal de la bacteriorrodopsina (figura).
El retinal, como base de Schiff (con una carga positiva), tiene en principio la configuración 13-cis. Esta forma del retinal absorbe un cuanto de luz de l=565 nm, de lo que resulta un bombeo de un protón fuera de la membrana. Para regenerar la base de Schiff, la forma neutra anterior pasa conformación todo-trans, capta un protón y pasa a la forma protonada 13-cis.
El funcionamiento del sistema crea, pues, un gradiente de protones, cuya disipación a favor de ATP-asas de membrana es convertido a ATP. Obsérvese que funciona como una bomba de protones, que saca H+ al exterior.
Aparte de las bacterias que usan O2 como aceptor terminal de electrones de sus c.t.e. respiratorias, todos los procariotas presentan algunos enzimas que pueden reaccionar directamente con este oxígeno. De estos enzimas, los más típicos son las flavoproteínas, que se pueden autooxidar en presencia de O2, dando inevitablemente peróxido de hidrógeno (H2O2), que es un compuesto muy tóxico; también se pueden generar pequeñas cantidades de otro producto tóxico, el radical superóxido (O2 -). Por lo tanto, no es de extrañar que en bacterias haya evolucionado un arsenal de enzimas para detoxificar estas sustancias:
Protección respecto de los peróxidos: En muchas bacterias aerobias existe el enzima catalasa:
catalasa
H2O2 ----------------------------------------------------> H2O + ½ O2
Algunos anaerobios aerotolerantes producen peroxidasa, capaz de eliminar cualquier peróxido, incluyendo el de hidrógeno. Las peroxidasas catalizan la oxigenación de compuestos orgánicos por el peróxido de hidrógeno, que pasa a agua:
peroxidasa
H2O2 + NADH + H+ ---------------------------> 2 H2O + NAD+
Protección respecto del superóxido: El radical superóxido se produce por:
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acción de oxidasas; |
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autooxidación de quinonas, ferredoxinas y flavoproteínas. |
Este radical es muy tóxico, de modo que todas las bacterias aerobias y anaerobias aerotolerantes presentan el enzima superóxido dismutasa (SOD), que cataliza la conversión del superóxido en oxígeno molecular y agua oxigenada, que a su vez se destruye por los mecanismos que acabamos de ver:
SOD
2 O2· - + 2 H+ --------------------> O2 + H2O2
En algunos anaerobios estrictos (como ciertas arqueas) se ha descubierto hace poco un nuevo mecanismo de protección frente al superóxido, dependiente de una superóxido-reductasa (SOR), que cataliza la reducción del superóxido con protones y citocromo reducido.
Dependen en buena medida de la disponibilidad de las enzimas eliminadoras de peróxidos y superóxidos, que acabamos de estudiar. Veamos los tipos de procariotas según sus relaciones con el oxígeno:
Aerobios: Necesitan O2 para crecer, ya que lo usan (al menos en algunas ocasiones) como aceptor final de electrones para la captación de energía química. Como el oxígeno tiene poca solubilidad en el agua, cuando queremos cultivar un aerobio en medios líquidos, hay que forzar la aireación, bien sea por agitación de los matraces o tubos de ensayo, o insuflando aire u oxígeno estériles.
Algunos aerobios requieren para crecer tensiones de oxígeno inferiores a la atmosférica (del 2 al 10% de O2, en lugar del 20%). A estas bacterias se las califica como microaerófilas.
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Algunos microaerófilos lo son permanentemente (microaerófilos estrictos). |
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Otros se comportan como microaerófilos sólo cuando crecen usando determinadas fuentes de energía química o de nitrógeno (microaerófilos condicionales). |
Anaerobios: Son aquellos que pueden crecer en ausencia de oxígeno, debido a que pueden usar aceptores finales distintos del oxígeno, o porque poseen metabolismo estrictamente fermentativo.
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Anaerobios estrictos: El oxígeno les resulta tóxico ya que carecen de catalasa, peroxidasa y SOD, y por lo tanto, no pueden eliminar los productos nocivos resultantes del oxígeno. (Por ejemplo, las especies de Clostridium, y las arqueas metanogénicas). |
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Anaerobios aerotolerantes (= aerodúricos): Al igual que los anteriores, presentan un metabolismo energético anaerobio, pero soportan el oxígeno debido a que poseen enzimas detoxificadores. Ejemplos típicos son las bacterias del ácido láctico, como Streptococcus, Leuconostoc, Lactobacillus). También se les llama anaerobios indiferentes. |
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Anaerobios facultativos: Pueden realizar metabolismo energético aerobio o anaerobio, dependiendo del ambiente y la disponibilidad de aceptores finales de electrones. Ejemplos son las enterobacterias como E. coli. |
Para cultivar los anaerobios hay que evitar el oxígeno. Los anaerobios que no sean demasiado sensibles al oxígeno se pueden cultivar fácilmente llenando los tubos con el medio hasta arriba y cerrándolos con tapón hermético. También se puede añadir al medio un agente reductor (como el tioglicolato) que reaccione con el oxígeno, reduciéndolo a agua. Los anaerobios más estrictos se suelen cultivar en las llamadas “jarras de anaerobios”, unos contenedores con cierre hermético, en cuyo interior se colocan las placas de Petri o tubos inoculados, junto con un reactivo y catalizadores químicos, que reemplazan el aire por una mezcla de H2 y CO2 u otros gases inertes.
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Aspectos generales del metabolismo energético:
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| Quimiotrofía:
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Fototrofía y fotosíntesis:
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