DIVERSIDAD METABÓLICA DE LOS MICROORGANISMOS

METABOLISMO PRODUCTOR DE ENERGÍA Quimiotrofos Obtienen la energía a partir de la oxidación de compuestos químicos. Fotótrofos Obtienen la energía a partir de la luz solar

CLASIFICACIÓN DE ORGANISMOS SEGÚN LA ENERGÍA UTILIZADA

FOTOSÍNTESIS Conversión de energía luminosa en energía química y uso posterior de esa energía en síntesis de material celular. Reacción fase luminosa  ATP + NADPH (cuantos de energía) Reacción fase obscura  ADP + NADP+ + C6H12O6

REACCIONES DE LA FASE LUMINOSA Se produce la transformación de la energía luminosa en energía química: ATP Bacterias rojas y verdes usan la luz para formar ATP. El NADPH lo generan mediante donadores de electrones presentes en su medio ambiente: H2S o compuestos orgánicos. Estos M.O. No producen oxígeno, asi hacen fotosíntesis anoxigénica.

REACCIONES DE LA FASE LUMINOSA Plantas, algas y cianobacterias también utilizan la luz para generar ATP; los electrones para reducir el NADP+ a NADPH los obtienen del H2O, produciendo oxígeno molecular como producto de desecho. Así la reducción del NADP+ es un proceso mediado por la luz. Como se produce oxígeno molecular en este proceso se le denomina fotosíntesis oxigénica.

REACCIONES DE LA FASE OBSCURA Se denominan así porque no requieren luz para desarrollarse. Sin embargo, su requerimiento esencial son los productos de la fase luminosa: ATP y NADPH, los cuales deben haber sido producidos previamente.

FUNCIÓN DE LA CLOROFILA Y BACTERIOCLOROFILA EN LA FOTOSÍNTESIS La fotosíntesis sólo ocurre en organismos que poseen algún tipo de clorofila. La clorofila es una porfirina, como los citocromos, pero en lugar de contener Fe, contienen Mg en el centro del anillo. Contiene radicales específicos unidos al anillo, así como un alcohol de cadena larga. La clorofila se asocia con lípidos y proteínas hidrofóbicas de las membranas fotosintéticas mediante estos alcoholes.

CLOROFILA A

BACTERIOCLOROFILA A

CLOROFILAS Existen varios tipos de clorofilas (cl), según sus espectros de absorción: Clorofila a : absorbe a la longitud de onda de 680 nm (luz roja) y 430 nm (luz azul). Clorofila b : máxima absorción 660 nm. Plantas tienen clorofilas a y b y otras cl. Cianobacterias tienen cl a. Bacterias verdes y bac. rojas absorben a 800, 850-880 nm, 720-790 nm y también a 1020nm, tienen bacterioclorofilas.

ESPECTRO DE ABSORCIÓN DEL ALGA VERDE CHLAMYDOMONAS

ESPECTRO DE ABSORCIÓN DE LA BACTERIA FOTÓTROFA ROJA RHODOPSEUDOMONAS PALUSTRIS

¿PORQUÉ LOS ORGANISMOS TIENEN VARIOS TIPOS DE CLOROFILAS? Esto les permite un uso más amplio de la energía del espectro electromagnético. Sólo la energía de la luz que se absorbe puede ser usada para producir energía. Si existe más de una clorofila, más energía de la luz incidente estará disponible para el organismo. La diversidad en la pigmentación tiene importancia ecológica.

MEMBRANAS FOTOSINTÉTICAS Y CENTROS DE REACCIÓN Los pigmentos clorofílicos (fotosintéticos) y todos los demás componentes del aparato captador de luz se asocian con sistemas especiales de membrana, las membranas fotosintéticas. En las células esta membranas fotosintéticas se asocian con los cloroplastos en eucariontes fotosintéticos, generando los tilacoides.

MICROFOTOGRAFÍA DE UNA ALGA MOSTRANDO CLOROPLASTOS

ESTRUCTURA DEL CLOROPLASTO DE UN ORGANISMO FOTOSINTÉTICO EUCARIONTE

MEMBRANAS FOTOSINTÉTICAS Y CENTROS DE REACCIÓN Los tilacoides apilados forman la grana. Los tilacoides se disponen en los cloroplastos generandos dos regiones:la matriz que rodea a los tilacoides y el espacio interior dentro de los tilacoides. Esto permite el desarrollo de un gradiente electroquímico de protones dirigido por la luz que puede usarse para sintetizar ATP.

MEMBRANAS FOTOSINTÉTICAS Y CENTROS DE REACCIÓN Dentro de la membrana del tilacoide las moléculas de clorofila se asocian en grupos de 200-300 moléculas, pero sólo algunas participan en directamente en la conversión de energía. Las que participan se denominan clorofila de los centros de reacción y reciben energía de las otras mol. de cl. que actúan como captadoras de luz o antenas .

UNIDAD FOTOSINTÉTICA Y SU CENTRO DE REACCIÓN ASOCIADO EN LAS MEMBRANAS FOTOSINTÉTICAS

MEMBRANAS FOTOSINTÉTICAS Y CENTROS DE REACCIÓN En los procariotas no existen los cloroplastos y los pigmentos están integrados en sistemas de membrana internos que se forman: Por invaginación de la membrana citoplasmática (bacterias rojas) Por la propia membrana citoplasmática Por la propia membrana citoplasmática como por estructuras especializadas limitadas por membranas no unitarias y llamadas clorosomas

MEMBRANAS FOTOSINTÉTICAS: a)EN VAINAS PLANAS b)VESÍCULAS INDIVIDUALES

CLOROSOMAS EN BACTERIA VERDE

HELIOBACTERIUM (BACTERIA VERDE) QUE NO TIENE MEMBRANA FOTOSINTÉTICA (PIGMENTOS EN LA MEMBRANA)

MEMBRANAS FOTOSINTÉTICAS Y CENTROS DE REACCIÓN También en los procariotas, las moléculas antenas de bacterioclorofila funcionan absorbiendo la energía luminosa y transfiriéndola a la bacterioclorofila del centro de reacción que está presente en la membrana citoplasmática. Las moléculas antena posibilitan un incremento de la velocidad a que se lleva a cabo la fotosíntesis.

FOTOSÍNTESIS ANOXIGÉNICA La generación de ATP en organismos fotótrofos, se realiza a partir de la luz, y se produce a partir de una transferencia de electrones a través de transportadores electrónicos. Estos transportadores electrónicos son fundamentalmente los mismos que participan en los procesos de transporte de los organismos que respiran. Los transportadores electrónicos se disponen en la membrana fotosintética en series desde más electronegativo a más electropositivo.

ESTRUCTURA DEL APARATO FOTOSINTÉTICO DE BACTERIAS ROJAS El aparato fotosintético en estas células se ubica en sistemas membranosos intracitoplasmáticos de distintas morfologías, una forma común es la presencia de vesículas membranosas, denominadas cromatóforos. El aparato fotosintético consta de cuatro complejos pigmento-proteína unidos a la membrana, más un complejo ATPasa que permite la síntesis de ATP a expensas de un gradiente de protones.

RHODOBACTER CAPSULATUS PRESENTA ABUNDANTES MEMBRANAS VESICULARES: LOS CROMATÓFOROS

MODELO MOLECULAR DEL CENTRO DE REACCIÓN EN BACTERIAS ROJAS

FLUJO FOTOSINTÉTICO DE ELECTRONES La fotosíntesis comienza cuando la energía de un excitón (energía transferida desde las moléculas antena al centro de reacción) alcanza las moléculas del par especial convirtiéndolo en un buen donador de electrones con un valor de Eo lo suficientemente bajo como para reducir una molécula aceptora muy electronegativa. Esto es trabajo hecho en el sistema por la energía luminosa.

FLUJO DE ELECTRONES EN LA FOTOSÍNTESIS ANOXIGÉNICA DE UNA BACTERIA ROJA

FOTOFOSFORILACIÓN La síntesis de ATP se produce como resultado de la formación de un gradiente electroquímico de protones o fuerza protón motriz de protones generada por la salida de protones durante el transporte de electrones, y la actividad de las ATPasas que acoplan la desaparición del gradiente de protones a la formación de ATP.

DISPOSICIÓN DE LOS COMPLEJOS PROTEICOS EN LA MEMBRANA FOTOSINTÉTICA DE UNA BACTERIA ROJA

FOTOFOSFORILACIÓN Esta forma de hacer ATP se llama fotofosforilación cíclica porque los electrones pueden moverse repetidamente en círculo. La fotofosforilación cíclica se parece a la respiración ya que el flujo de electrones establece una fuerza protón motriz, pero se diferencia en que aquí no hay entrada neta ni consumo de electrones; los electrones sólo viajan por una ruta cerrada.

FLUJO DE ELECTRONES EN LA FOTOSÍNTESIS ANOXIGÉNICA DE UNA BACTERIA ROJA

AUTOTROFÍA Y FOTOSÍNTESIS ANOXIGÉNICA Además del ATP los fotótrofos requieren poder reductor (NADPH) para reducir el CO2 hasta el nivel del material celular. La fuente primaria de electrones en fotótrofos anoxigénicos es alguna sustancia del medio: H2S, S, tiosulfato, H2 o compuestos orgánicos, como butirato, malato, succinato.

AUTOTROFÍA Y FOTOSÍNTESIS ANOXIGÉNICA Durante el crecimiento autotrófico estos M.O. oxidan el donador de electrones y reducen el NADP+, ejemplo: 6CO2 + 12 H2S  C6H12O6 + 12 S0 ¿Cómo se transfieren los electrones desde el sustrato reducido al NADP+ ? Mediante transferencia directa desde un compuesto reducido, ejemplo H2 cuyo Eo es –0.42 suficientemente bajo para reducir el NADP+ ( –0.32) si es que el organismo cuenta con la enzima hidrogenasa.

AUTOTROFÍA Y FOTOSÍNTESIS ANOXIGÉNICA Muchos fotótrofos anoxigénicos pueden crecer autotróficamente usando donores de electrones como sulfuro o tiosulfato, estos compuestos tienen un potencial de reducción más electropositivo que el del par NADP+/NADPH. Así los electrones son forzados a moverse hacia atrás (contra el gradiente de potencial electroquímico) por el potencial de membrana reduciendo el NADP+ a NADPH. Este proceso consume energía y se denomina: transporte de electrones reverso o inverso. Se presenta tanto por la necesidad de un reductor de bajo potencial, como por tener que usar donores más electropositivos. También en quimiolitótrofos.

FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA Los fotótrofos oxigénicos usan la luz para producir tanto ATP como NADPH, y los electrones de este último derivan de la rotura del agua en oxígeno y electrones. El flujo de estos electrones va por dos rutas distintas pero interconectadas. Se tiene dos sistemas de reacciones luminosas, el fotosistema I y el fotosistema II, ambos tienen dos tipos diferentes de clorofila a en el centro de reacción. Las reacciones ocurren en membranas, en citoplasma en cianobacterias y en cloroplastos en eucariontes.

FLUJO DE ELECTRONES EN LA FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICAS DE PLANTAS VERDES

FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA El flujo de electrones en la fotosíntesis oxigénica tiene la forma de una Z acostada. El primer paso es la fotólisis del agua en oxígeno e hidrógeno, un electrón del agua pasa a la molécula oxidada del P860, tras la absorción de luz. El electrón viaja por una serie de transportadores en la membrana hasta plastocianina (proteína que contiene cobre), esta última cede electrones al fotosistema I, el electrón es aceptado por P700, el cuál previamente ha absorbido luz y cedido electrones al fotosistema I. Electrones que llegan a reducir el NADP+ a NADPH.

FOTOFOSFORILACIÓN EN FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA La transferencia de electrones desde el fotosistema II a la clorofila del fotosistema I, ocurre en una dirección termodinámicamente favorable (de negativo a positivo) esto genera una fuerza protón motriz que puede producir ATP por fotofosforilación no cíclica porque los electrones no vuelven al P680 sino que llegan hasta la reducción de NADP+ a NADPH.

FOTOFOSFORILACIÓN EN FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA También se puede producir generación de ATP por fotofosforilación cíclica cuando sólo funciona el fotosistema I. Esto ocurre cuando el aceptor primario en lugar de reducir el NADP+, devuelve el electrón al P700 a través de los citocromos bf de membrana, generándose un potencial de membrana y síntesis de ATP.

OTROS PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS Además de la clorofila y la bacterioclorofila existen otros pigmentos implicados en la captura de la luz: carotenoides y ficobilinas, los cuales funcionan como pigmentos accesorios. Además los carotenoides juegan un papel protector de la fotooxidación de las clorofilas sobre los M.O. que los contienen. También existen en otras bacterias no fotótrofas (ambientales).

ESTRUCTURA DEL BETA CAROTENO

OTROS PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS Las ficobilinas sirven también como pigmentos captadores de luz. Estos pigmentos absorben luz a lambdas más cortas 550, 620 y 660 nm que las clorofilas, por lo que pueden aumentar la absorción de la luz en M.O. que viven en zonas menos iluminadas

FICOBILINA: GRUPO PROSTÉTICO DE LA FICOCIANINA, PIGMENTO PRESENTE EN CIANOBACTERIAS Y BACTERIAS ROJAS

FIJACIÓN AUTÓTROFA DE CO2: CICLO DE CALVIN En las reacciones de la fase obscura, el CO2 es transformado en materia orgánica. Estas reacciones son comunes a los fotótrofos y a los quimiolitótrofos. El proceso se llama fijación del CO2 y requiere ATP y NADPH, producidos previamente en la fase luminosa. La ruta más común es la llamada Ciclo de Calvin o Ciclo reductor de las pentosas.

CICLO DE CALVIN El primer paso en la reducción del CO2 es la reacción catalizada por la Ribulosa bifosfato carboxilasa (RubisCO). Reacción entre CO2 y Ribulosa 5 fosfato para dar dos moléculas de ác. 3 fosfoglicérico. El CO2 entrante pasa a formar parte de este compuesto y en los pasos siguientes es reducido a gliceraldehído 3 fosfato.

ESTEQUIOMETRÍA DEL CICLO DE CALVIN Para que 6 moléculas de CO2 se transformen en una molécula de glucosa se requiere: 6CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12H+ +12 H2O  C6H12O6 +18 P + 18 ADP + 12 NADP Durante períodos en que ATP y NADPH son abundantes las moléculas de hexosas se pueden convertir en polímeros de reserva como glucógeno, almidón y polihidroxibutirato los cuales pueden ser utilizados como fuente de energía en períodos de oscuridad.

ALTERNATIVAS AL CICLO DE CALVIN Las enzimas claves en el Ciclo de Calvin: RubisCO y fosforibuloquinasa se encuentran en casi todos los organismos fotosintéticos y en muchos quimiolitotrofas que utilizan esta vía para fijar CO2. Existe un buen número de autótrofos, fotosintéticos y algunas reductoras de sulfato que utilizan otras vías para fijar el CO2.