Obtención de energía en los procariotas

Presentación del tema: "Obtención de energía en los procariotas"— Transcripción de la presentación:

1 Obtención de energía en los procariotas
METABOLISMO BACTERIANO Con este tema inauguramos la sección sobre Fisiología microbiana, y lo hacemos abordando los modos de obtención de energía (quimiotrofía y fototrofía) Obtención de energía en los procariotas

2 Metabolismo Definición: conjunto de reacciones bioquímicas que permiten el crecimiento de un organismo. En bacterias  aumento del número de células Tipos: Reacciones de mantenimiento para obtener Energía Poder reductor Precursores metabólicos Anabolismo (biosíntesis): usa energía y poder reductor 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.

3 Nociones generales de metabolismo energético
La energía se requiere continuamente para: Biosíntesis (anabolismo) Transporte activo Translocación de proteínas a través de la membrana citoplásmica Movimiento flagelar Bioluminiscencia Las bacterias requieren aporte continuo y de acceso inmediato de energía, que es usada en procesos de: · biosíntesis (anabolismo) · transporte activo · translocación de proteínas a través de la membrana citoplásmica · movimiento flagelar · bioluminiscencia

4 Conservación de energía intracelular (I)
Principalmente por síntesis de ATP ¿Cómo se obtiene el ATP? Fosforilación a nivel de sustrato Fosforilación oxidativa Fotofosforilación 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 Go'= -31 kJ (= -7,3 kcal). La síntesis de ATP a partir de ADP y P requiere una Go' de +31 kJ. Los métodos usados por las bacterias para generar este ATP son principalmente: · fosforilación a nivel de sustrato (en las respiraciones); · fosforilación oxidativa (en las fermentaciones); · fotofosforilación (durante la fotosíntesis).

5 Conservación de energía intracelular (II)
En todas las fosforilaciones energéticas hay reacciones redox exergónicas: Se libera energía libre Una reacción redox exergónica se puede acoplar a la obtención de trabajo útil: Formación de un compuesto rico en energía Formación de un gradiente de concentración y/o de carga eléctrica a ambos lados de la membrana En ambos casos, el trabajo se puede convertir finalmente en ATP 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: se trata de procesos exergónicos en los que hay al menos una fase en la que la oxidación de un donante de electrones (DH2  D) está acoplado con la reducción de un aceptor de electrones (A  AH2). En esta reacción se libera energía libre, cuyo valor viene expresado por la fórmula:  G’0 = - n·F·E0'  n = nº de electrones transferidos; F = cte. de Faraday = 96,6 kJ·volt—1·equivalentes—1; E0' es la diferencia entre los potenciales de reducción del donador (pareja D/DH2) y del aceptor (pareja A/AH2).

6 FUENTES DE ENERGIA DE LOS MICROORGANISMOS

7 Tipos de metabolismos energéticos
Energía de sustancias químicas  quimiotrofía Quimiolitotrofía: energía química a partir de sustancias inorgánicas Quimioorganotrofía: energía química a partir de sustancias orgánicas Energía de radiaciones  fototrofía Fotolitotrofía: captación de energía lumínica con nutrición exclusiva a partir de sustancias inorgánicas Fotoorganotrofía: captación de energía lumínica con requerimiento de sustancias orgánicas 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 las bacterias 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.

8 CAPTACIÓN DE ENERGÍA EN LAS BACTERIAS QUIMIOTROFAS
FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO. FERMENTACIONES FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. RESPIRACIONES

9 FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO
Un donador de e- orgánico es oxidado por NAD+  se origina un intermediario con gran energía de hidrólisis  acil-P  ese P pasa a ADP  ATP

10 Fosforilación a nivel de sustrato. Fermentaciones
La fosforilación a nivel de sustrato está acoplada con la fermentación El sustrato orgánico reducido es catabolizado y se produce ATP, generando además equivalentes de reducción (NADH) intermediarios oxidados de la ruta catabólica Es característico de las fermentaciones que los equivalentes de reducción reaccionen con esos intermediarios, regenerándose el cofactor en forma oxidada (NAD+) y generando productos de fermentación.

11 Fosforilación a nivel de sustrato

12 Fermentaciones: regeneración de NAD+ y productos de fermentación
Ejemplo:  gliceraldehido-3-P  1,3-difosfoglicérico  3-fosfoglicérico 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. Ejemplo: pirúvico  láctico   NADH NAD+

13 Algunos tipos de fermentación
Nombre fermentación Productos principales Láctica Láctico Alcohólica Etanol, CO2 Ácida mixta Etanol, succínico, acético, fórmico, láctico, CO2, H2 Butilénglicólica Butilenglicol, CO2 Acetono-butírica Acético, acetona, butírico, butanol, CO2, H2 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 se pueden ver en la tabla de esta diapositiva.

14 Fermentaciones microbianas comunes

15 Fosforilación a nivel de sustrato. Fermentaciones
La fosforilación a nivel de sustrato está acoplada con la fermentación Se produce ATP y NADH Al regenerarse el NAD, se produce y libera un producto de fermentación El dador y el aceptor de electrones son compuestos orgánicos El aceptor de e- es un compuesto endógeno El rendimiento energético es menor que el de la fosforilación oxidativa. 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. 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. 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 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 al menos 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.

16 FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. RESPIRACIONES
Respiración: es la obtención de energía por oxidación de sustratos reducidos (orgánicos o inorgánicos), en la que las coenzimas reducidas (ej., NADH) transfieren los e- a un aceptor final exógeno oxidado, a través de una cadena transportadora de electrones (c. t. e) La obtención de energía ligada a las respiraciones se llama fosforilación oxidativa 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. c.t.e.  gradiente H+  ATP

17 Respiraciones según el tipo de donador y de aceptor de e-
Según el tipo de donante de e-: En los quimiolitotrofos el donante es una sustancia inorgánica En los quimiorganotrofos respiradores el donante es una sustancia orgánica Según el aceptor final de electrones: Si es O2: respiración aerobia Si es distinto del O2: respiración anaerobia ·  Si el aceptor final es el O2, hablamos de respiración aerobia; · 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.

18 Cadena transportadora de electrones
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.

19 Componentes de las c.t.e. respiradoras
NADH deshidrogenasas: aceptan H Flavoproteínas (con FMN o FAD): aceptan H, pero ceden solo e-. FeS-proteínas no hémicas: solo transportan e-. Quinonas (ubiquinona, menaquinona): aceptan H, pero ceden solo e-. Citocromos: aceptan y ceden e-. Los donadores de electrones inmediatos para las c.t.e son el FADH2 y el NADH+H+, que se generan, p.ej., 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: · 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 · Flavoproteínas (Fp), dotadas de FAD o FMN como grupos prostéticos. Pueden acepar átomos de H, pero a su vez ceden solamente electrones. · proteínas no hémicas de Fe-S. Algunas poseen agrupamientos de Fe2S2 (como la ferredoxina) y otras Fe4S4. Transportan solamente electrones. · 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: ubiquinona (UQ) o menaquinona (MQ), más frecuente en bacterias Gram-positivas. · 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.

20 FMN Estructura del FMN, grupo prostético de ciertas flavoproteínas. Observa la diferencia entre su estados oxidado y reducido.

21 Centros de las FeS proteínas no hémicas
Centros metálicos típicos Fe-S de diversas FeS-proteínas transportadoras de electrones.

22 CoQ, una quinona CoQ, una quinona de las c.t.e.

23 Citocromos: estructura del anillo tetrapirrólico acomplejado con Fe, implicado en la transferencia de electrones.

24 Cadena de electrones (en Paracoccus)
La c.t.e. de Paracoccus, es similar a la de las mitocondrias (Fp FeS proteína  quinona  cit bc1  cit c  cit aa3 O2) , y en ella se observan 3 sitios donde termodinámicamente la variación de energía libre es suficiente para apoyar la síntesis de una molécula de ATP.

25 Detalle del funcionamiento del c. t. e
Detalle del funcionamiento del c.t.e. de Paracoccus, similar a la de mitocondrias Imagen más “realista” de la c.t.e. de Paracoccus.

26 Flujo de electrones y protones
Los electrones fluyen en la c.t.e. desde los E’0 más electronegativos a los más positivos Algunos de los transportadores transportan átomos de H, pero otros solo ceden electrones  existen bucles que translocan protones (H+) afuera Pero la membrana es impermeable a los protones  los H+ no pueden entrar directamente Se crea un gradiente electroquímico de protones. Este gradiente es una forma de energía potencial que puede realizar trabajo: fuerza protón motriz 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. Observa 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+ (pH) y un gradiente de carga eléctrica (). Al igual que en una pila o batería, este gradiente es una forma de energía potencial que puede realizar trabajo.

27 Para que sirve el gradiente de H+?
Transporte activo ligado a simporte de iones Rotación del motor flagelar Formación de enlaces fosfato de alta energía en forma de ATP

28 Motor flagelar Simporte de iones

29 Mecanismo de la ATP-sintasa dependiente de protones
·    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: ·    El que los 3-4 protones entren por F0 (probablemente a través de la proteína a) provoca la rotación del cilindro de c12, lo que supone una torsión que se transmite a la F1 a través de las proteínas . lo que a su vez provoca un cambio conformacional en las subunidades . ·   El cambio conformacional en las subunidades  permite que a ellas se una ADP y Pi. El trabajo realizado por el sistema se usa para producir entonces el ATP, volviendo las  a su configuración original, preparadas para un nuevo ciclo de síntesis de ATP. ·    La función de b2 es equivalente a la del estator del motor: sirven para evitar que las  y  se muevan cuando se produce la torsión de .

30 La ATP-sintasa Porción transmembrana F0 : canal integral, que trasloca los protones. La subunidad “a” canaliza los H+ Las dos “b” salen hacia el citoplasma, interaccionando con la porción F1 Las 12 subunidades “c” forman un cilindro que puede rotar en ambos sentidos Porción citoplásmica F1 : estructura globular dotada de los sitios catalíticos En los años recientes se está avanzando en el mecanismo de la ATP-sintasa (con concesión de premio Nobel de Química 1997 a tres biólogos que han contribuido en este aspecto): · 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. · 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  alternando con 3 subunidades .

31 La ATP sintasa convierte el gradiente de H+ en ATP
Unos 3-4 protones pasan a través de “a” de F0, lo que pone en marcha la síntesis rotacional del ATP: La entrada de los H+  rotación del cilindro de c12   torsión se comunica a F1 a través de ge   cambio conformacional en subunidades b  se une ADP+P  ATP El papel de b2 d es de estator, impidendo que roten las b 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, con lo que el motor gira en sentido inverso y se produce la 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.

32 Las bacterias anaerobias fermentadoras usan ATPasa
Pero la usan en sentido inverso, como ATP- hidrolasa Aunque su ATP lo obtienen por fosforilación a nivel de sustrato, necesitan generar gradientes de H+ para el transporte activo y el flagelo Lo que hacen es convertir parte del ATP en gradiente de H+ 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.

33 La función ATPasa puede degradar ATP y generar gradiente de H+

34 En citoplasma (enzimas solubles)
Diferencias entre fosforilación a nivel de sustrato y la fosforilación oxidativa Procesos escalares En citoplasma (enzimas solubles) Intermediarios metabólicos con –P antes del ATP Procesos vectoriales En membranas No hay intermediarios ricos en energía antes del ATP Crea un gradiente de H+ que se puede disipar para producir ATP Veamos ahora lo que diferencia a grandes rasgos a la fosforilación a nivel de sustrato respecto de la fosforilación oxidativa y la fotofosforilación: Las fosforilaciones a nivel de sustrato se caracterizan por lo siguiente: · son procesos escalares (es decir, no influye su situación espacial dentro de la célula); · 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); · 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: ·  ser vectoriales (orientados en el espacio); estar ligados a membrana; implicar una secuencia ordenada de transportadores de electrones que sufren oxidaciones y reducciones reversibles (cadena transportadora de electrones, c.t.e.). 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: síntesis de ATP, transporte de nutrientes, translocación de proteínas fuera del protoplasto, y movimiento flagelar.

35 Diferencias entre fosforilación a nivel de sustrato y fosforilación oxidativa
En esta imagen se muestra esquemáticamente lo explicado en el texto de la diapositiva anterior. 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.

36 RESPIRACIONES según los tipos de dadores de electrones
QUIMIORGANOTROFIA Utilizan una fuente orgánica de e-. La oxidación de estos compuestos orgánicos reducidos no solo sirve como donantes de e- sino para generar intermediarios metabólicos para biosíntesis. QUIMIOLITOTROFIA El donador de e- es una molécula inorgánica reducida.

37 Quimiolitotrofos bacterias oxidadoras de hidrógeno (oxidan el H2 hasta H2O) bacterias oxidadoras del hierro ferrroso (pasan Fe2+ a Fe3+) bacterias oxidadoras de azufre: de sulfuros (S2-) y azufre elemental (S0) conduce a la producción de ácido sulfúrico (SO4H2) bacterias nitrificantes, con dos subtipos diferentes: las oxidadoras de amoniaco (llamadas nitrosas, que respiran NH3 para convertirlo en NO2-) las oxidadoras del nitrito (llamadas nítricas, que respiran NO2- para convertirlo en NO3-)

38 RESPIRACIONES según los tipos de aceptores de electrones
Respiración AEROBIA El O2 es el aceptor final de e- y junto con los H+ se reduce a H2O. ½ O2 + 2 e- + 2 H H2O Respiración ANAEROBIA Aceptor final de e- diferente del oxígeno.

39 Diversidad de respiraciones anaerobias
Aceptor Prod. red ejemplos NO3-  NO2-  N2 Pseudomonas, Bacillus NO3-  NO2- Enterobacterias SO42-  S0  SH2 Sulfatorreductoras CO2  CH4 Arqueas metanógenas Fe3+  Fe2+ 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  AH2) son los que se muestran en esta tabla. Con estos aceptores se obtiene menos energía que con el oxígeno, porque la pareja O2/H2O es más oxidante que las otras.

40 Un MO puede utilizar más de un mecanismo para obtener E
Algunos MO son estrictamente anaerobios (Ej. Arqueas metanógenas y bacterias sulfatorreductoras) Algunos MO pueden alternar entre respiración aerobia y anaerobia, dependiendo de la disponibilidad de aceptores (bacterias que usan nitratos como aceptores). Existen bacterias que aparte de tener respiración aerobia y anaerobia (nitratos), pueden usar metabolismo fermentativo (Enterobacterias)

41 Más sobre respiraciones anaerobias
La respiración usando nitratos, sulfatos y CO2 (como aceptor final de e-) es un uso desasimilativo de estas sustancias (¡no las asimilan!). El producto reducido se excreta al ambiente. El uso desasimilativo del nitrato se llama desnitrificación, y cuando es completo llega hasta N2 (pasa a atmósfera): NO3- NO2-  NO  N2O  N2 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 (ver diapo). 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. En las bacterias Gram-negativas la nitrito-reductasa es de localización periplásmica. Las nitrito-reductasas de de Pseudomonas constan de citocromos c+d1. La óxido nítrico-reductasa (que cataliza el paso NO  N2O) es un complejo de citocromo b+c integral de membrana. Hasta la llegada de las actividades industriales humanas, todo el dinitrógeno de la atmósfera procedía de estos proceso desnitrificantes. El uso de sulfato como aceptor de electrones sólo lo hacen las bacterias sulfatorredutoras, por una ruta especial en la que el sulfato primero tiene que activarse con ATP (formando la adenosina-fosfo-sulfato, APS). La mayoría son quimiorganotrofos, pero algunos pueden usar H2 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).

42 CAPTACIÓN DE ENERGÍA EN LAS BACTERIAS FOTOTROFAS
FOTOFOSFORILACION

43 Fototrofía Capacidad de captar energía de la LUZ
La Fotofosforilación, capacidad de usar la luz para generar ATP, tiene en común con la fosforilación oxidativa que produce también un gradiente electroquímico de protones a ambos lados de una membrana, el cual a su vez alimenta ATP- sintasas.

44 Fuentes de energía

45 Tipos de Fotosíntesis En bacterias tenemos dos modalidades de fotosíntesis en función de que el donador de electrones sea o no H2O Fotosíntesis oxigénica : H2O como agente reductor. Se libera O2. (cianobacterias, algas y plantas) Fotosíntesis anoxigénica: H2, SH2, S2O3-, etc. Como ag reductor . No se libera O2 (bacterias verdes y purpúreas)

46 Aparato fotosintético
Fotosistemas: catalizan la conversión de la energía de la luz, capturada por (bacterio)clorofilas en una forma de energía útil. Están constituidos por Complejo antena: captan la luz Centro de reacción: dentro de estructuras membranosas (tilacoides, cromatóforos o memb. citop.) Cadenas transportadoras de electrones  crean la f.p.m. (gradiente de H+) ·    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 y centro de reacción.  Cadenas transportadoras de electrones: Estas cadenas están ligadas de forma estrecha al centro de reacción, y crean una f.p.m.  Antes de describir el funcionamiento del aparato fotosintético, describamos brevemente las principales moléculas implicadas:

47 Moléculas del aparato fotosintético:
(Bacterio)Clorofila: Tetrapirroles ciclicos quelados con Mg++ y con largas cadenas de alcohol (fitol) Carotenoides: Forman parte del complejo antena. Ficobiliproteínas (complejo antena de cianobacterias) en superficie de los tilacoides. (Bacterio)Feofitinas: Similares a las primeras, pero no están queladas con Mg++. Otros componentes (c.t.e.): quinonas, citocromos y ferroproteínas no hémicas A) Clorofilas y bacterioclorofilas. Estos tetrapirroles cíclicos quelados con Mg++ y dotados de largas cadenas de alcohol (como el fitol) pueden formar parte tanto de los pigmentos antena como de los centros de reacción. 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. 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.

48 Funcionamiento del FOTOSISTEMA
La luz capturada por los pigmentos antena llega en forma de “excitones” al centro de reacción, excitando a la bacterioclorofila La bacterioclorofila cede e- a la bacteriofeofitina. Los e- pasan a las ubiquinonas y luego a la cadena transportadora de electrones (citocromos bc1 a cit c2). Finalmente el citocromo c2 transfiere e- a la bacterioclorofila oxidada que vuelve a su estado inicial, quedando el centro de reacción preparado para otro ciclo de excitación. La cadena transportadora de electrones provoca una translocación de protones fuera de la membrana  f.p.m.  ATP-sintasas  ATP (fotofosforilación). 1)  Antes de exitarse, cada Bclfla. especial (P870) tiene un E’0 de +0.5 V. Cada Bclfla. especial, tras excitarse (pasar a Bclfla*, con un E’0 de –1.0 V), se oxida (pierde electrón), pasando a Bclfla+. Esta transición es increíblemente rápida, de 3 billonésimas de segundo (3x10-12). 2)      El electrón pasa a una Blcfla. “normal” (P800, no asociada a proteínas). 3)      El electrón original de cada una de las dos Blcflas. especiales es recogido por las bacteriofeofitinas. 4)      Los dos electrones (uno por feofitina) pasan a una ubiquinona (QA) estrechamente ligada al centro de reacción (la quinona se reduce: QAH). Observar 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. 5)      La Bclfla+. 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 Bclflas+. (L La explicación sigue en la siguiente diapositiva, ya usando el esquema).

49 CICLICA 6)     Mientras tanto, el electrón de la QA pasa a una segunda ubiquinona del centro de reacción (QB). 7)      El electrón abandona el centro de reacción y pasa a otra quinona, que se encuentra libre en la bicapa lipídica. Esta quinona, una vez reducida, es un buen reductor (donador de electrones). El electrón pasa a la c.t.e. (citocromos b-c1  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 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. 8)      El funcionamiento de esta c.t.e. 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-asas se traduce en producción de ATP (fotofosforilación). ACICLICA Donador Exógeno de e-

50 Fotofosforilación El funcionamiento de la c.t.e.  f.p.m.  ATP (por ATP sintasa de membrana) Tipos de fotofosforilación: Fotofosforilación cíclica : La (bacterio)clorofila sirve tanto como donador primario como de aceptor final de electrones (los e- no salen del ciclo). No existe aporte de agente reductor externo ni de agente oxidante externo  Solo se produce ATP tras crear una f.p.m. No se crea poder reductor. No hay fijación de CO2 Fotofosforilación acíclica: Hay un donante externo de electrones Se genera NAD(P)H  se fija CO2 El ATP también se genera a partir de una f.p.m. Tipos de fotofosforilación: acíclica y cíclica.

51 Fotofosforilación Esquema de la fotofosforilación acíclica en una bacteria anoxigénica. En la FFC, la (bacterio)clorofila del centro de reacción (fotosistema I) sirve tanto como donador primario de electrones como aceptor final de electrones procedentes de una c.t.e. Los electrones no pueden salir del ciclo. Cuando los electrones pasan por la confluencia entre una quinona y un complejo de citocromos se produce translocación de protones al exterior, lo que supone p, que a su vez se puede convertir en ATP. Como los electrones no pueden salir del ciclo, no se crea poder reductor. Por lo tanto, este poder reductor ha de venir de otra fuente, y no del funcionamiento del fotosistema. (Fuente química, que permite un flujo invertido de electrones). Este esquema muestra mejor la disposición “real” de los componentes en la membrana

52 LOS PROCARIOTAS Y EL OXIGENO

53 Los procariotas y el oxígeno:
Todos los procariotas presentan enzimas (Ej. Flavoproteínas) que pueden autooxidarse en presencia de O2, dando productos tóxicos: H2O2 (peróxido de hidrógeno) y O2- (superóxido) Protección frente al peróxido: Catalasa (H2O2  H2O + ½ O2) Peroxidasa (H2O2 + NADH+H+  2H2O + NAD+) Protección frente al superóxido: Superóxido dismutasa (2 O H+  O2 + H2O2) 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: 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: H2O2 + NADH + H+  2 H2O + NAD+ Protección respecto del superóxido: El radical superóxido se produce por acción de oxidasas y por 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.

54 Enzimas que destruyen los radicales tóxicos de oxígeno
Enzimas que destruyen los radicales tóxicos de oxígeno. La catalasa (a) y la peroxidasa (b) son proteínas que contienen porfirinas. La superóxido-dismutasa (SOD) es una enzima que contiene cobre y zinc, manganeso o hierro. En d) se muestra la acción combinada de la SOD y de la catalasa. La superóxido reductasa (e) cataliza la reducción con un electrón del radical superóxido hasta agua oxigenada, usando el citocromo c reducido como dononate del electrón.

55 Reacción de la catalasa
Este sencillo experimento lo vas a realizar tú mismo en la 2ª tanda de prácticas. Es un método para probar si una bacteria posee actividad catalasa. Cada una de las dos gotas de la foto contiene 30% de peróxido de hidrógeno (agua oxigenada). En cada gota se resuspende una carga de bacterias mediante el asa de siembra. La de la izquierda muestra un resultado catalasa negativo. La de la derecha, un resultado catalasa positivo: observa el burbujeo intenso de O2, uno de los productos de la reacción.

56 Relaciones de las bacterias con el oxígeno
Aerobias: necesitan O2 para crecer Aerobias estrictas: usan O2 como aceptor final de electrones para la captación de energía química. Microaerófilos: requieren para crecer tensiones de oxígeno inferiores a la atmosférica (del 2 al 10% de O2, en lugar del 20%) Las relaciones de las bacterias con el oxígeno dependen en buena medida de la disponibilidad de las enzimas eliminadoras de peróxidos y superóxidos, que acabamos de estudiar. Veamos los tipos de bacterias según sus relaciones con el oxígeno: Bacterias aerobias: Necesitan O2 para crecer, ya que lo usan (al menos en algunas ocasiones) como aceptor final de electrones para la captación de energía química. 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. Algunas microaerófilas lo son permanentemente (microaerófilas estrictas). Otras se comportan como microaerófilas sólo cuando crecen usando determinadas fuentes de energía química o de nitrógeno (microaerófilas condicionales). Bacterias anaerobias: Son aquellas que pueden crecer en ausencia de oxígeno, debido a que pueden usar aceptores finales distintos del oxígeno (en respiración anaerobia), o porque poseen metabolismo estrictamente fermentativo. Anaerobias estrictas: 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). Anaerobias aerotolerantes (= aerodúricas): Al igual que las 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. 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.

57 Anaerobias pueden crecer en ausencia de O2, debido a que pueden usar aceptores finales distintos del O2, o porque poseen metabolismo estrictamente fermentativo. Estrictas: el O2 les resulta tóxico ya que carecen de catalasa, peroxidasa y SOD ( Clostridium, arqueas metanogénicas). Aerotolerantes: presentan un metabolismo energético anaerobio, pero soportan el O2 debido a que poseen enzimas detoxificadoras. (Streptococcus, Leuconostoc, Lactobacillus). Facultativas: metabolismo energético aerobio o anaerobio, dependiendo del ambiente y la disponibilidad de aceptores finales de electrones (Enterobacterias). Las relaciones de las bacterias con el oxígeno dependen en buena medida de la disponibilidad de las enzimas eliminadoras de peróxidos y superóxidos, que acabamos de estudiar. Veamos los tipos de bacterias según sus relaciones con el oxígeno: Bacterias aerobias: Necesitan O2 para crecer, ya que lo usan (al menos en algunas ocasiones) como aceptor final de electrones para la captación de energía química. 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. Algunas microaerófilas lo son permanentemente (microaerófilas estrictas). Otras se comportan como microaerófilas sólo cuando crecen usando determinadas fuentes de energía química o de nitrógeno (microaerófilas condicionales). Bacterias anaerobias: Son aquellas que pueden crecer en ausencia de oxígeno, debido a que pueden usar aceptores finales distintos del oxígeno (en respiración anaerobia), o porque poseen metabolismo estrictamente fermentativo. Anaerobias estrictas: 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). Anaerobias aerotolerantes (= aerodúricas): Al igual que las 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. 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.

58 Crecimiento aeróbico, anaeróbico, facultativo, microaerófilo, y anaerobio aerotolerante, revelado por la posición de las colonias microbiananas (puntos negros) en tubos de medio que llevan una pequeña cantidad de agar. Se ha añadadido el indicador redox llamado resazurina, que es rosa cuando se oxida e incoloro cuando está reducido. (a) El oxígeno penetra sólo una corta distancia desde lo alto del tubo (manifestado por el color rosa), de modo que los aerobios obligados solo crecen pegados a la parte superficial.. (b) Los anaerobios, al ser sensibles al oxígeno, crecen sólo lejos de la superficie, hacia el fondo. (c) Los anaerobios facultativos, capaces de crecer en presencia y en ausencia de oxígeno crecen a lo largo del tubo, pero al tener metabolismo aerobio en presencia de oxíogeno, crecen mejor cerca de la superficie. (d) Los microaerófilos crecen un poco por debajo de la superficie, en condiciones en las que la concentración de oxígeno es inferior a la atmosférica. (e) Los anaerobios aerotolerantes crecen en todo el tubo, pero su crecimiento no es mejor cerca de la superficie (no tienen metabolismo respiratorio, sino fermentativo). Crecimiento a)aeróbico, b)anaeróbico, c)facultativo, d)microaerófilo, y e)anaerobio aerotolerante