HIPERTEXTOS DEL ÁREA DE LA BIOLOGÍA
PRINCIPAL INTRODUCCIÓN ANIMACIONES CÉLULAS BIODIVERSIDAD HERENCIA EVOLUCIÓN

Curso de Microbiología General

de Enrique Iáñez

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
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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
    1. energía
    2. poder reductor
    3. precursores metabólicos
  2. 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:

DG0'= - 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:

  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:
    1. fotolitotrofas: captan energía lumínica en presencia de sustancias inorgánicas;
    2. fotoorganotrofasotoorganotrofas: 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:
    1. quimiolitotrofas:: captación de energía química a partir de sustancias inorgánicas;
    2. 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:

Dp = 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 (hn )

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

  1. Cada Bclfla. especial (P870 en el ejemplo que estamos estudiando), tras excitarse (pasar Bclfla*), se oxida (pierde electrón), pasando a Bclfla+.
  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+.
  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. (con citocromos b-c).
  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).

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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