Curso de Microbiología
General
de Enrique Iáñez
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METABOLISMO ENERGÉTICO
ÍNDICE:
1. NOCIONES GENERALES
2. CAPTACIÓN DE ENERGÍA EN LAS
BACTERIAS QUIMIOTROFAS
3. CAPTACIÓN DE ENERGÍA EN LAS
BACTERIAS FOTOTROFAS: FOTOFOSFORILACIÓN
4. OBTENCIÓN DE ENERGÍA EN HALOBACTERIUM
5. EL OXÍGENO Y EL METABOLISMO BACTERIANO
BARRA DE EXPLORACIÓN: Microbiología General
[ Principal ] [ Arriba ] [ Concepto e historia de la Microbiología ] [ Los microorganismos en el mundo vivo ] [ La célula procariota ] [ Curso de Microbiología General ] [ Biosíntesis y crecimiento de la pared celular ] [ Membrana citoplasmática y transporte de nutrientes ] [ Inclusiones citoplasmáticas ] [ Cuerpos nucleares. El genóforo bacteriano ] [ Expresión genética y exportación de proteínas ] [ Flagelos, fimbrias, prostecas ] [ Endosporas y otras diferenciaciones ] [ Crecimiento y division celular ] [ Crecimiento de poblaciones bacterianas ] [ Metabolismo energético bacteriano ] [ Desinfectantes y antisépticos ] [ Quimioterápicos y antibióticos ] [ Resistencia bacteriana a los antibióticos ] [ Regulación genética en las bacterias ] [ Mutación y supresión en bacterias ] [ Recombinación ] [ Transformación ] [ Transducción ] [ Conjugación bacteriana ] [ BIBLIOGRAFÍA DE MICROBIOLOGÍA GENERAL ]
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:
- reacciones de mantenimiento, que suministran
- energía
- poder reductor
- precursores metabólicos
- reacciones del anabolismo (biosíntesis), que usan energía y poder reductor procedente
de las reacciones de mantenimiento.
1. NOCIONES
GENERALES SOBRE EL METABOLISMO ENERGÉTICO BACTERIANO
Las bacterias requieren aporte continuo y de acceso inmediato de energía, que es usada
en procesos de:
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:
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.
En esta reacción se libera energía libre, cuyo valor viene expresado por la fórmula:
D G0'= - n·F·DE0'
n = nº de electrones transferidos
F = constante de Faraday = 96,6 kJ·volt-1·equivalentes--1
D E0' 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:
- formación de un compuesto
rico en energía;
- 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 las bacterias y los correspondientes tipos
de metabolismos energéticos:
- 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:
- fotolitotrofas
: captan energía lumínica en presencia
de sustancias inorgánicas;
- f
otoorganotrofasotoorganotrofas: captan energía lumínica con
requerimiento de sustancias orgánicas.
- Si la energía se desprende a partir de moléculas químicas en reacciones biológicas
de óxido-reducción: bacterias quimiotrofas, que a su
vez pueden ser:
- quimiolitotrofas
:: captación de energía química a
partir de sustancias inorgánicas;
- 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:
A) 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:
- 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.
B) 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,
- movimiento flagelar.
2. CAPTACIÓN DE
ENERGÍA EN LAS BACTERIAS QUIMIOTROFAS
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.
2.1 FOSFORILACIÓN
A NIVEL DE SUSTRATO. FERMENTACIONES
Recordemos aquí lo dicho anteriormente: 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.
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.
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.
El rendimiento de las fermentaciones, expresado como variación de energía libre, es
bajo. 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.
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:
Fermentación
láctica |
Lactato |
Fermentación
alcohólica |
etanol, CO2 |
Fermentación
ácida-mixta |
etanol,
succinato, acetato, formiato, lactato, CO2, H2 |
Fermentación
butilénglicólica |
butilénglicol,
CO2 |
Fermentación
aceto-butírica |
acetato,
acetona, butirato, butanol, etanol, CO2, H2 |
2.2 FOSFORILACIÓN
OXIDATIVA. RESPIRACIONES
Respiración es la obtención de energía por oxidación de sustratos orgánicos (en
quimiorganotrofas) o inorgánicos (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.
- 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.
Esquema y
balance de la 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:
DH2 + A ---------> AH2 + D
El alumno conocerá por la asignatura de Bioquímica los principales tipos de
componentes de las c.t.e. respiratorias
- flavoproteínas (Fp), dotadas
de grupos FAD o FMN
- proteínas no hémicas de Fe-S
- quinonas:
- ubiquinona (UQ)
- menaquinona (MQ), más
frecuente en bacterias Gram-positivas.
- citocromos (proteínas
hémicas con Fe quelado).
Observar que algunos de estos transportadores transportan átomos de H (o sea, protones
y electrones), mientras que otros transportan únicamente electrones.
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:
D p = D y
-Z·DH (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 realizar
trabajo, bajo la forma de:
Veamos, pues, cómo se produce esta síntesis de ATP a partir
del gradiente de protones:
- La síntesis de ATP ocurre
gracias al complejo ATP-asa, funcionando como ATP-sintetasa.
Este complejo consta de varios polipéptidos que conforman dos porciones: la hidrofóbica
BF0, inserta en la membrana citoplásmica, y la BF1 a modo de tallo
que se proyecta hacia el interior celular.
- La porción BF0
forma un canal a través de la membrana, por donde pueden pasar H+ desde el
exterior al interior, y agua desde dentro hacia afuera.
- La porción BF1 es
la parte enzimáticamente activa del complejo.
Esencialmente, el mecanismo consiste en que la disipación del gradiente de protones a
través de BF0 suministra la energía para la síntesis de ATP por parte de la
BF1. La reacción se puede expresar así:
2H+ (ext) + ADP (int) + P (int) -------> 2H+
(int) + ATP (int) + H2O (ext)
El balance final del funcionamiento de la c.t.e. es:
DH2(int) + A(int) + ADP(int) + P(int) à
D(int) + AH2 + ATP(int) + H2O (ext)
El esquema anterior hace referencia al funcionamiento de una cadena transportadora con
un solo bucle translocador de protones. Pero en la realidad las c.t.e. suelen poseer más
de uno de estos bucles.
- Véase en la Fig. la c.t.e. de
Paracoccus, una bacteria que posee un sistema similar al de las mitocondrias, donde
se observan 3 sitios donde termodinámicamente la variación de energía libre es
suficiente para apoyar la síntesis de una molécula de ATP.
- Véase también la c.t.e. de E.
coli, cuando usa el O2 como aceptor final de electrones. En esta cadena
podemos constatar algo relativamente frecuente en las cadenas bacterianas:
En los quimiolitotrofos, la c.t.e. respiratoria funciona en los dos sentidos:
- en su sentido
"normal", ya estudiado. Un donador inorgánico de electrones cede electrones,
que llegan a la c.t.e., que crea un gradiente de protones, cuya disipación a través de
ATP-asa genera ATP;
- 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 c.t.e., usando
para ello como energía parte del potencial de protones generado por el flujo normal.
Cadenas de
electrones ramificadas:
Muchas cadenas respiratorias 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.
- Por ejemplo, cuando Azotobacter
(fijador aerobio de N2) crece fijando nitrógeno, usa una ramificación que
gasta muchísimo oxígeno como aceptor final (aunque el rendimiento en ATP es menor); con
ello logra evitar que entre oxígeno al citoplasma, con lo que protege a la nitrogenasa de
la inactivación por oxígeno.
Mecanismo
de la ATP-sintasa dependiente de protones
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, c10}.
F1 constituye la porción intracitoplasmática, dotada de los sitios
catalíticos. Su composición se puede expresar como {a3,
b3, g, d, e). Ambas porciones están unidas entre
sí por enlaces iónicos e hidrófobos.
- Al parecer, la traslocación
de unos 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 4 protones entren
por F0 parece que induce un cambio conformacional en la subunidad g de F1, que a su vez obliga a girar al F1, con
una síntesis de ATP.
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, y a su vez, parte del ATP lo convierten, por las
ATP-asas hidrolíticas, en una fuerza protón-motriz que se usa para transporte de
nutrientes y para alimentar al motor flagelar.
Respiraciones
anaeróbicas
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:
- NO3-- à N2
- SO42- à SH2
- fumarato à succinato
- CO2 à CH4
- Fe3+ à Fe2+
Con estos aceptores se obtiene menos energía que con el oxígeno, porque la pareja O2/H2O
es más oxidante que las otras.
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. 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) à
N2O (óx. nitroso) à N2
(dinitrógeno)
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 arqueobacterias 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
Tipos de
quimiolitotrofos
Insistamos en el hecho de que la capacidad de obtener energía por fosforilación
oxidativa a partir de donadores inorgánicos de electrones sólo ha evolucionado en
ciertos grupos de procariotas. Cada grupo fisiológico usa un tipo de donador inorgánico:
- bacterias de hidrógeno (H2)
- bacterias del hierro (Fe2+)
- bacterias del azufre (S2-,
S0).
- bacterias nitrificantes, con
dos subtipos diferentes: las oxidadoras de amoniaco (llamadas nitrosas) y las oxidadoras
del nitrito (llamadas nítricas).
En general, el mecanismo de generación de ATP es similar al de quimioorganotrofas
respiradoras. 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.
Pero a excepción del H2, los demás donadores inorgánicos de electrones
tienen un potencial de oxidación 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 obtenr poder reductor emplean transporte inverso
de electrones: parte del gradiente electroquímico creado se emplea en hacer que
electrones viajen por la c.t.e. (o una parte de ella) en sentido inverso, para poder
reducir el NAD.
3. CAPTACIÓN DE
ENERGÍA EN LAS BACTERIAS FOTOTROFAS: FOTOFOSFORILACIÓN
Los organismos fotosintéticos usan energía de la luz para convertir el CO2
en material celular, según la fórmula general:
energía de la luz (h n )
2 H2A + CO2--------------------------------------->[CH2O]
+ H2O + 2 A
- En Oxifotobacterias, algas y
plantas verdes, H2A = H2O, como agente reductor. Por lo tanto, al
oxidarse se genera O2.
- En Anoxifotobacterias el
reductor exógeno ("H2A") puede ser H2, S=, S2O3-,
etc.
Tenemos, pues, dos modalidades de fotosíntesis, la oxigénica y la 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.
En la fotofosforilación cíclica (FFC) no existe
aporte de un agente reductor externo ni de agente oxidante externo.
- Su única función es
transformar la energía de la luz en un gradiente de protones (f.p.m.), que a su vez puede
convertirse en ATP.
- No se originan equivalentes de
reducción (NADPH), y por lo tanto, no hay fijación de CO2.
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.
3.1 COMPONENTES DEL
APARATO FOTOSINTÉTICO
- 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:
A) Clorofilas y bacterioclorofilas. Estos tetrapirroles cíclicos quelados con Mg++
pueden formar parte tanto de los pigmentos antena como de los centros de reacción.
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.
B) Carotenoides. Forman parte del complejo antena. Sus funciones son:
- protección contra los efectos
potencialmente perjudiciales derivados de la interacción entre la luz y el oxígeno;
- como pigmentos antena,
captadores de luz (aunque menos eficientes que otros).
C) En las Oxifotobacterias, existe, además un conjunto de ficobiliproteínas,
organizadas en complejos supramoleculares denominados ficobilisomas, dispuestos
(como ya vimos en el tema 8) 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)clorofilas, excepto que no están queladas con Mg++. Actúan
como aceptores inmediatos del electrón que pierde cada (bacterio)clorofila del centro
de reacción.
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.
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.
3.2 FUNCIONAMIENTO
DE UN FOTOSISTEMA
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 (C.R.)
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).
- posee 4 bacterioclorofilas, de
las cuales dos (denominadas P870) son las fotoquímicamente activas, debido a
su asociación con tres proteínas del centro de reacción (denominadas L, M y H). Todo el
conjunto se encuentra en la bicapa lipídica.
- 2 bacteriofeofitinas
- 2 ubiquinonas y un Fe, que
constituyen el complejo Q·Fe.
Antes de dar una visión más detallada, veamos un pequeño resumen del modo de
funcionamiento del centro de reacción:
- Llega un cuanto de luz al par
de bacterioclorofilas especiales. La bacterioclorofila (Bcfla.) se excita (Bclfla*);
- la Bclfla* excitada se oxida
(pierde un electrón) à Bclfla+;
- el electrón es captado
rápidamente por el aceptor inmediato (la bacteriofeofitina), que a su vez lo pasa a la
quinona cercana.
- En todo este proceso se va
produciendo una separación de cargas, porque el
electrón va quedando cada vez más separado de la Bclfla+ oxidada. El
electrón pasará a otra quinona situada fuera del C.R., convirtiéndose en un electrón
de alta energía.
Veamos en detalle la secuencia de transferencias en el centro
de reacción
- Cada Bclfla. especial (P870 en el ejemplo que estamos estudiando), tras
excitarse (pasar Bclfla*), se oxida (pierde electrón), pasando a Bclfla+.
- El electrón pasa a una Blcfla. "normal" (P800, no asociada a
proteínas).
- El electrón original de cada una de las dos Blcflas. especiales es recogido por las
bacteriofeofitinas.
- 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.
- 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+.
- Mientras tanto, el electrón de la QA pasa a una segunda ubiquinona del
centro de reacción (QB).
- 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. (con citocromos b-c).
- 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).
3.3 TIPOS DE
FOTOFOSFORILACIÓN
Fotofosforilación
cíclica
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 D 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).
Fotofosforilación
acíclica
En Anoxifotobacterias: FFA anoxigénica
El fotosistema I (FSI) se excita y la Bclfla. se oxida (Bclfla+). Los
electrones cedidos por el C.R. sirven para reducir (junto con protones) al NAD(P)+
hasta NAD(P)H + H+ (es decir, se crea poder reductor).
Ahora bien )cómo se regenera la
bacterioclorofila, es decir, cómo se reduce la Bclfla+ oxidada? En la FFA
existe un donador exógeno de electrones distinto del H2O: SH2,
S0, H2, ciertos compuestos orgánicos. Dicho donador cede electrones
al C.R. a través de una c.t.e., que como es habitual, crea un potencial D p (f.p.m.) convertible en ATP.
En Oxifotobacterias, al igual que en algas
verdes y plantas superiores: FFA oxigénica
Estos organismos usan H2O como donador exógeno de electrones; la FFA es
más compleja, 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.
- El FSI se activa y se oxida
por la luz, transfiriendo los electrones a una ferredoxina, que a su vez los cede al NADP+,
para generar poder reductor (NADPH + H+).
- 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 D p y por lo tanto, ATP).
Esta c.t.e. consta de la serie de transportadores siguiente:
PQ (plastoquinona) -- citocromo b·f -- PC (plastocianina)
- El FSII se excita por la luz
(y como acabamos de decir, envía los electrones al FSI vía c.t.e.). Este FSII+
sí puede regenerarse extrayendo los electrones del H2O, desprendiéndose O2.
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 (merced a un complejo enzimático
que contiene Mn, llamado complejo lítico del agua o "reloj
oxidante del agua").
4. CAPTACIÓN DE
ENERGÍA EN HALOBACTERIUM
Algunas arqueobacterias 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:
- porción proteica: bacteriopsina,
que forma 7 hélices a atravesando la membrana;
- 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.
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.
5. EL OXÍGENO Y EL
METABOLISMO BACTERIANO
5.1 REACCIONES MEDIADAS POR
FLAVOPROTEÍNAS
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
+ 2 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:
- acción de oxidasas;
- 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
5.2 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, 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 arqueobacterias
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.
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actualizado el 17 de agosto de 1998
Ó 1998 ENRIQUE IAÑEZ PAREJA. Prohibida su reproducción, salvo con fines
educativos. Escríbame a eianez@goliat.ugr.es
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